制动盘盘体的铸造方法和装置及由此制得的制动盘盘体与流程

本发明涉及一种铸造方法，尤其涉及一种适用于造型线生产的高速列车铸钢制动盘盘体的铸造方法和装置，及由此制得的制动盘盘体。

背景技术：
制动盘盘体是高速列车的关键部件，在列车制动时起重要作用。由于其工作环境复杂恶劣，维修更换不便。要求制动盘产品必须有稳定的质量和较长的使用寿命。大量研究表明，在材质一定的情况下，铸造制动盘盘体失效的主要原因是盘体中存在缩孔、缩松、砂孔、裂纹等铸造缺陷。250km/h以上速度的高速列车，对制动盘盘体的质量提出了更高的要求，对缩孔、缩松、砂孔、气孔、渣孔、裂纹等铸造缺陷的容忍度进一步降低，同时，对材质中的气体及夹杂物的含量也做出了严格的限制。这都要求必须有相应合理的浇注系统和补缩系统来保证。由于制动盘盘体铸件单位质量轻，市场需求数量大，很适合造型线生产，但是对铸件尺寸和质量的要求很严格，因此，开发一种能够适用于造型线稳定生产，特别是配有浇注机的高效率自动造型流水线生产的高速列车铸钢制动盘盘体的铸造工艺是一个很迫切的问题。公告号为CN202219318U的实用新型专利公开了一种铸造汽车制动盘的砂型，在上、下砂型对合相接组成四个呈间距排列的型腔连通有内浇道，内浇道均与上砂型上端面设有的直浇道连通，四个型腔中分别置有制动盘砂芯，制动盘砂芯上的出气孔均与上砂型上端面设有的排气口相通。该实用新型实现了每组砂型可同时铸造四件毛坯件，提高了生产效率，但是砂型中没有补缩系统，可能会导致铸件内存在大量的缩孔缩松、夹渣、气孔、裂纹等铸造缺陷。

技术实现要素：
为克服上述现有技术存在的问题，本发明提供一种制动盘盘体的铸造方法，其按照先后顺序包括以下步骤：（1）通过计算机模拟软件对所述制动盘盘体的铸造工艺和铸造装置进行模拟分析，确定浇注系统和补缩系统的位置，所述浇注系统的浇口杯由所述补缩系统的冒口替代，金属液从冒口中浇注，所述冒口中心置于铸件几何中心的位置，金属液由铸件几何中心向四周流动；本发明选用的模拟软件包括适用于材料加工工程及制造领域中的任何模拟软件，如Magma、ProCast、NovaCast、AnyCast、Flow3D、华铸CAE、Ansys、Abaqus、Marc等。打开模拟软件，建立实体模型，在模型上划分网格，设定参数，进行模拟分析；根据模拟结果调试参数，然后使用新的参数再次进行模拟分析。本发明经过大量模拟，最终确定了浇注系统和补缩系统的位置，其中浇注系统的浇口杯由补缩系统的冒口替代，金属液从冒口中浇注，冒口中心置于铸件几何中心的位置。模拟结果显示，由此制备的制动盘盘体中没有缩孔、缩松、砂孔、气孔、渣孔、裂纹等铸造缺陷。从模拟分析结果看，当浇注系统和补缩系统的位置设计合理，且相互配合，才能有效地防止制动盘盘体在铸造过程中出现缺陷，使得铸件充型均匀密实，其综合性能和整体质量大幅度提高。本发明的浇注系统与补缩系统合为一体，浇口杯由特别设计的冒口替代，金属液可直接从冒口中浇注，因此，冒口既直接充当了浇口杯，又对铸件起到补缩的作用。本发明的浇注系统中没有特别设置的直浇道、横浇道和内浇道，而是金属液直接从冒口中注入，并经过整流过滤装置后直接进入型腔，从而大幅度提高了金属的使用率，降低了生产成本，又提高了工作效率。本发明的浇注系统能有效确保金属液平稳均衡充型，防止金属液在充型过程中因紊流飞溅和对型腔的冲蚀等原因而使铸件产生砂孔、渣孔、气孔等铸造缺陷；补缩系统中的冒口与补贴配合能实现铸件的顺序凝固，同时确保其在凝固过程中实现完全补缩，防止铸件出现缩孔、缩松等缺陷，保证铸件性能各向同性。（2）根据步骤（1）的模拟分析结果，制定所述制动盘盘体的铸造工艺，采用从型腔顶部引入金属液的方式进行顶浇，其中金属液由冒口经过整流过滤装置进入型腔；在制动盘盘体的实际铸造过程中，金属液进入型腔的方式、位置、流速等各个参数均要符合模拟结果。（3）制作铸造装置，其浇注系统和补缩系统的位置符合步骤（1）中模拟分析的结果；在实际的铸造装置中，浇注系统和补缩系统的位置、形状、尺寸、冒口的形状和数量等各个参数均要符合模拟结果。（4）制作型芯；（5）合箱；（6）熔炼浇注；（7）打箱落砂并清理，切除冒口部分；（8）对铸件进行粗加工和热处理；（9）对铸件进行调质处理和精加工。热处理的目的是消除铸件组织中的柱状晶、粗大的等轴晶和树枝状偏析，消除残余应力和部分缺陷，改善铸件的力学性能。调质处理为淬火和高温回火的双重热处理，其目的是保证铸件具有优良的综合机械性能，既具有较高的强度又具有较高的塑性和韧性。对铸件进行无损检测，同时满足了射线探伤I级、超声探伤I级和磁粉探伤I级的检验要求。通过上述铸造方法制备的制动盘盘体，其屈服强度σ0.2≥950MPa。优选的是，所述整流过滤装置置于冒口中。在上述任一方案中优选的是，所述整流过滤装置置于冒口的底部。整流过滤装置主要起到清除金属液中的夹渣物质和整理金属液流态的作用。金属液从冒口中直接浇注，在进入型腔前，经过整流过滤装置，可减小金属液对型腔的直接冲击，同时金属液通过整流过滤装置后能将杂乱的紊流流态改变为平静的层流流态，从而防止因充型而造成的渣孔、砂孔、气孔等缺陷。在上述任一方案中优选的是，所述冒口的下方设有冒口基座，所述冒口基座与补贴相连。冒口基座对冒口及冒口中的整流过滤装置起到支撑作用。在上述任一方案中优选的是，所述金属液在冒口中的浇注速度为10-45cm/s，确保金属液平稳均衡的充型。在上述任一方案中优选的是，所述金属液在铸件中的上升速度为20-35mm/s，确保金属液平稳均衡的充型。本发明的制动盘盘体的铸造方法能实现铸件的顺序凝固和完全补缩，有效防止铸件在铸造过程中出现缩孔、缩松、砂孔、气孔、渣孔、裂纹等缺陷，确保铸件性能各向同性，保证具有高质量制动盘盘体的大批量生产，金属的使用率提高了30-60%，生产成本降低了30-50%，工作效率提高了40-60%。本发明还提供一种制动盘盘体的铸造装置，其包括浇注系统和补缩系统，所述浇注系统包括浇口杯和整流过滤装置，所述补缩系统包括冒口、补贴和冒口基座，所述浇口杯由冒口替代，所述冒口中心置于铸件几何中心的位置。所述浇注系统与补缩系统合为一体，浇口杯由特别设计的冒口替代，金属液可直接从冒口中浇注，因此，冒口既直接充当了浇口杯，又对铸件起到补缩的作用。所述浇注系统中没有特别设置的直浇道、横浇道和内浇道，而是金属液直接从冒口中注入，并经过整流过滤装置后直接进入型腔。本发明的浇注系统能有效确保金属液平稳均衡充型，防止金属液在充型过程中因紊流飞溅和对型腔的冲蚀等原因而使铸件产生砂孔、渣孔、气孔等铸造缺陷；补缩系统中的冒口与补贴配合能实现铸件的顺序凝固，同时确保其在凝固过程中实现完全补缩，防止铸件出现缩孔、缩松等缺陷，保证铸件性能各向同性。优选的是，所述浇注系统还包括集渣溢流片和集渣排气棒。集渣溢流片用于收集充型时流程最长的冷而不清洁的金属液；集渣排气棒有利于充型时型腔的排气，防止气体在铸件内产生气孔。在上述任一方案中优选的是，所述整流过滤装置置于冒口中。在上述任一方案中优选的是，所述整流过滤装置置于冒口的底部。在上述任一方案中优选的是，所述冒口的下方设有冒口基座，所述冒口基座与补贴相连。冒口基座对冒口及冒口中的整流过滤装置起到支撑作用。在上述任一方案中优选的是，所述冒口由砂型形成或冒口外侧包覆一层保温耐火材料。砂型具有良好的保温发热效果，也可在冒口外侧包覆一层耐火石棉、陶瓷纤维等具有良好保温发热效果的保温耐火材料。在上述任一方案中优选的是，所述整流过滤装置由耐火材料制成，比如陶瓷管和/或陶瓷砖等。在上述任一方案中优选的是，所述补贴由金属材料或保温耐火材料制成。补贴是补缩的通道，与冒口配合，对铸件起到补偿的作用。补缩时，若增加铸件的形状，则补贴由金属材料形成，该金属材料与铸件的材料相同；补缩时，若不增加铸件的形状，则补贴由保温耐火材料形成，起到保温发热的作用。在上述任一方案中优选的是，所述集渣溢流片置于铸件外侧的上下边缘。在上述任一方案中优选的是，所述集渣排气棒置于铸件外侧，并与上下边缘的集渣溢流片相连。在上述任一方案中优选的是，所述冒口的形状为圆柱体或多面体。冒口横截面可为圆形、梯形、五边形、六边形等。本发明的制动盘盘体的铸造装置结构简单，操作方便，能满足机械化大批量生产的要求，同时能实现铸件的顺序凝固和完全补缩，有效防止铸件在铸造过程中出现缩孔、缩松、砂孔、气孔、渣孔、裂纹等缺陷，还能提高金属的使用率，大幅度降低生产成本，提高工作效率。本发明还提供一种制动盘盘体，该盘体由上述任一种铸造方法和铸造装置制成。所制备的制动盘盘体没有缩孔、缩松、砂孔、气孔、渣孔、裂纹等铸造缺陷，且性能各向同性，具有较高且均匀的力学性能。本发明的铸造方法和/或铸造装置的浇注系统和补缩系统可适用于铸钢及其他合金的高速列车制动盘盘体的生产，且实现了以顶浇方式进行浇注的铸造工艺。附图说明图1为按照本发明的制动盘盘体的铸造方法的工艺流程图；图2为按照本发明的制动盘盘体的铸造方法的一优选实施例的缩孔缩松缺陷模拟显示图；图3为按照本发明的制动盘盘体的铸造装置的一优选实施例的剖面图；图4为按照本发明的制动盘盘体的铸造装置的另一优选实施例的立体结构图；图中标注说明：1-铸件，2-冒口，3-补贴，4-整流过滤装置，5-冒口基座，6-集渣溢流片，7-集渣排气棒，8-缩孔缩松。具体实施方式为了更进一步了解本发明的发明内容，下面将结合具体实施例详细阐述本发明。实施例一：以时速350km/h的高速列车铸钢制动盘轴盘盘体（外径为600mm，内径为240mm，）为例，其适用于造型线生产的铸造方法的工艺流程如图1所示，其按照先后顺序包括以下步骤：（1）通过计算机模拟软件对制动盘盘体的铸造工艺和铸造装置进行模拟分析，确定浇注系统和补缩系统的位置，浇注系统的浇口杯由补缩系统的冒口2替代，金属液直接从冒口2中浇注，冒口2中心置于铸件1几何中心的位置，金属液由铸件1几何中心向四周流动；（2）根据步骤（1）的模拟分析结果，制定所述制动盘盘体的铸造工艺，采用从型腔顶部引入金属液的方式进行顶浇，其中金属液由冒口2经过整流过滤装置4进入型腔；（3）制作铸造装置，其浇注系统和补缩系统的位置符合步骤（1）中模拟分析的结果；（4）制作型芯；（5）合箱；（6）熔炼浇注；（7）打箱落砂并清理，切除冒口部分；（8）对铸件进行粗加工和热处理；（9）对铸件进行调质处理和精加工。选用Magma模拟软件对铸造工艺进行模拟分析。打开模拟软件，建立实体模型，在模型上划分网格，设定参数，进行模拟分析；根据模拟结果调试参数，然后使用新的参数再次进行模拟分析。经过不断的调试参数，最终得到能够达到铸件技术要求的铸造工艺和铸造装置。根据最佳的模拟结果，制定实际的铸造工艺流程和实际的铸造装置。在制动盘盘体的实际铸造过程中，金属液进入型腔的方式、位置、流速等各个参数均要符合模拟结果。在实际的铸造装置中，浇注系统和补缩系统的位置、形状、尺寸、冒口形状和尺寸等各个参数均要符合模拟结果。整流过滤装置4置于冒口2的底部。冒口2的下方设有冒口基座5，冒口基座5与补贴3相连。冒口2的形状为圆柱体，直径为145mm，高度为145mm。通过Magma模拟软件分析，浇口杯由冒口2替代，冒口2中心置于铸件1几何中心位置，金属液直接从冒口2中浇注并经过整流过滤装置4后直接进入型腔，由此制备的制动盘盘体中没有缩孔缩松、砂孔、气孔、渣孔、裂纹等铸造缺陷。如图2所示，铸件1及冒口2在凝固后缩孔缩松8缺陷的显示，模拟表明，所有缩孔缩松8都集中在冒口2中，铸件1内部均匀致密，没有缩孔缩松8。金属液在冒口2中的浇注速度为10cm/s，金属液在铸件1中的上升速度为20mm/s。对铸件进行无损检测，同时满足了射线探伤I级、超声探伤I级和磁粉探伤I级的检验要求。制得的制动盘盘体的屈服强度σ0.2=950MPa。金属的使用率提高了30%，生产成本降低了30%，工作效率提高了40%。如图3所示，一种制动盘盘体的铸造装置，其包括浇注系统和补缩系统，浇注系统包括浇口杯和整流过滤装置4，补缩系统包括冒口2、补贴3和冒口基座5，浇口杯由冒口2替代，冒口2中心置于铸件1几何中心的位置。浇注系统还包括集渣溢流片6和集渣排气棒7。整流过滤装置4置于冒口2的底部。冒口2的下方设有冒口基座5，冒口基座5与补贴3相连。冒口2形状为圆柱体，直径为145mm，高度为145mm。冒口2由砂型形成；整流过滤装置4由耐火材料制成；补贴2由与铸件1材料相同的金属材料形成。集渣溢流片6置于铸件1外侧的上下边缘；有两个集渣排气棒7，均布于铸件1外侧，并与上下边缘的集渣溢流片6相连。一种制动盘盘体，该盘体由上述铸造方法和铸造装置制成。所制备的制动盘盘体没有缩孔、缩松、砂孔、气孔、渣孔、裂纹等铸造缺陷，且性能各向同性，具有较高且均匀的力学性能。实施例二：以时速250km/h的高速列车铸钢制动盘轴盘盘体（外径为610mm，内径为240mm，）为例，其适用于造型线生产的铸造方法的工艺流程如图1所示，其按照先后顺序包括以下步骤：（1）通过计算机模拟软件对制动盘盘体的铸造工艺和铸造装置进行模拟分析，确定浇注系统和补缩系统的位置，浇注系统的浇口杯由补缩系统的冒口2替代，金属液直接从冒口2中浇注，冒口2中心置于铸件1几何中心的位置，金属液由铸件1几何中心向四周流动；（2）根据步骤（1）的模拟分析结果，制定所述制动盘盘体的铸造工艺，采用从型腔顶部引入金属液的方式进行顶浇，其中金属液由冒口2经过整流过滤装置4进入型腔；（3）制作铸造装置，其浇注系统和补缩系统的位置符合步骤（1）中模拟分析的结果；（4）制作型芯；（5）合箱；（6）熔炼浇注；（7）打箱落砂并清理，切除冒口部分；（8）对铸件进行粗加工和热处理；（9）对铸件进行调质处理和精加工。选用ProCast模拟软件对铸造工艺进行模拟分析。根据最佳的模拟结果，制定实际的铸造工艺流程和实际的铸造装置。在制动盘盘体的实际铸造过程中，金属液进入型腔的方式、位置、流速等各个参数均要符合模拟结果。在实际的铸造装置中，浇注系统和补缩系统的位置、形状、尺寸、冒口形状和尺寸等各个参数均要符合模拟结果。整流过滤装置4置于冒口2的底部。冒口2的下方设有冒口基座5，冒口基座5与补贴3相连。冒口2的形状为圆柱体，直径为155mm，高度为155mm。金属液在冒口2中的浇注速度为45cm/s，金属液在铸件1中的上升速度为35mm/s。对铸件进行无损检测，同时满足了射线探伤I级、超声探伤I级和磁粉探伤I级的检验要求。制得的制动盘盘体的屈服强度σ0.2=1000MPa。金属的使用率提高了60%，生产成本降低了50%，工作效率提高了60%。如图4所示，一种制动盘盘体的铸造装置，其包括浇注系统和补缩系统，浇注系统包括浇口杯和整流过滤装置4，补缩系统包括冒口2、补贴3和冒口基座5，浇口杯由冒口2替代，冒口2中心置于铸件1几何中心的位置。浇注系统还包括集渣溢流片6和集渣排气棒7。整流过滤装置4置于冒口2的底部。冒口2的下方设有冒口基座5，冒口基座5与补贴3相连。冒口2形状为圆柱体，直径为155mm，高度为155mm。冒口2外侧包覆一层耐火石棉；整流过滤装置4由陶瓷管制成；补贴2由保温耐火材料形成。集渣溢流片6置于铸件1外侧的上下边缘；有九个集渣排气棒7，均布于铸件1外侧，并与上下边缘的集渣溢流片6相连。一种制动盘盘体，该盘体由上述铸造方法和铸造装置制成。所制备的制动盘盘体没有缩孔、缩松、砂孔、气孔、渣孔、裂纹等铸造缺陷，且性能各向同性，具有较高且均匀的力学性能。实施例三：以时速200km/h的高速列车铸钢制动盘轴盘盘体（外径为600mm，内径为260mm，）为例，其适用于造型线生产的铸造方法和铸造装置与实施例一基本相同。冒口2形状为圆柱体，直径为150mm，高度为150mm。金属液在冒口2中的浇注速度为25cm/s，在铸件1中的流速为27mm/s。冒口2外侧包覆一层陶瓷纤维；整流过滤装置4由陶瓷砖制成；补贴2由保温耐火材料形成。有六个集渣排气棒7，均匀分布在铸件1的外侧，并与上下边缘的集渣溢流片6相连。对铸件进行无损检测，同时满足了射线探伤I级、超声探伤I级和磁粉探伤I级的检验要求。制得的制动盘盘体的屈服强度σ0.2=1050MPa。采用上述铸造方法和铸造装置制备制动盘盘体，其金属的使用率提高了45%，生产成本降低了40%，工作效率提高了50%。实施例四：以时速250km/h的高速列车铸钢制动盘轴盘盘体（外径为610mm，内径为260mm，）为例，其适用于造型线生产的铸造方法和铸造装置与实施例一基本相同。冒口2形状为圆柱体，直径为160mm，高度为160mm。金属液在冒口2中的浇注速度为17cm/s，在铸件1中的流速为24mm/s。冒口2由砂型形成；整流过滤装置4由陶瓷砖制成；补贴3由与铸件材料相同的金属材料形成。有八个集渣排气棒7，均匀分布在铸件1的外侧，并与上下边缘的集渣溢流片6相连。对铸件进行无损检测，同时满足了射线探伤I级、超声探伤I级和磁粉探伤I级的检验要求。制得的制动盘盘体的屈服强度σ0.2=1250MPa。采用上述铸造方法和铸造装置制备制动盘盘体，其金属的使用率提高了37%，生产成本降低了35%，工作效率提高了45%。实施例五：以时速350km/h的高速列车铸钢制动盘轴盘盘体（外径为600mm，内径为220mm，）为例，其适用于造型线生产的铸造方法和铸造装置与实施例一基本相同。冒口2形状为圆柱体，直径为165mm，高度为165mm。金属液在冒口2中的浇注速度为34cm/s，在铸件1中的流速为31mm/s。冒口2由砂型形成；整流过滤装置4由陶瓷管制成；补贴3由与铸件材料相同的金属材料形成。有四个集渣排气棒7，均匀分布在铸件的外侧，并与上下边缘的集渣溢流片6相连。对铸件进行无损检测，同时满足了射线探伤I级、超声探伤I级和磁粉探伤I级的检验要求。制得的制动盘盘体的屈服强度σ0.2=1190MPa。采用上述铸造方法和铸造装置制备制动盘盘体，其金属的使用率提高了42%，生产成本降低了45%，工作效率提高了55%。实施例六：以时速350km/h的高速列车铸钢制动盘轴盘盘体（外径为620mm，内径为240mm，）为例，其适用于造型线生产的铸造方法和铸造装置与实施例一基本相同。选用AnyCast模拟软件进行模拟分析。冒口2形状为多面体，长度为180mm，宽度为140mm，高度为160mm。金属液在冒口2中的浇注速度为27cm/s，在铸件1中的流速为33mm/s。冒口2外侧包覆一层陶瓷纤维；整流过滤装置4由陶瓷砖制成；补贴3由与铸件材料相同的金属材料形成。有十个集渣排气棒7，均匀分布在铸件的外侧，并与上下边缘的集渣溢流片6相连。对铸件进行无损检测，同时满足了射线探伤I级、超声探伤I级和磁粉探伤I级的检验要求。制得的制动盘盘体的屈服强度σ0.2=1350MPa。采用上述铸造方法和铸造装置制备制动盘盘体，其金属的使用率提高了42%，生产成本降低了45%，工作效率提高了55%。实施例七：以时速250km/h的高速列车铸钢制动盘轴盘盘体（外径为610mm，内径为260mm，）为例，其适用于造型线生产的铸造方法和铸造装置与实施例一基本相同。冒口2形状为多面体，长度为200mm，宽度为150mm，高度为200mm。金属液在冒口2中的浇注速度为22cm/s，在铸件1中的流速为28mm/s。冒口2外侧包覆一层耐火石棉；整流过滤装置4由陶瓷砖和陶瓷管混合制成；补贴3由与铸件材料相同的金属材料形成。有四个集渣排气棒7，均匀分布在铸件的外侧，并与上下边缘的集渣溢流片6相连。对铸件进行无损检测，同时满足了射线探伤I级、超声探伤I级和磁粉探伤I级的检验要求。制得的制动盘盘体的屈服强度σ0.2=1330MPa。采用上述铸造方法和铸造装置制备制动盘盘体，其金属的使用率提高了55%，生产成本降低了50%，工作效率提高了50%。本领域技术人员不难理解，本发明的制动盘盘体的铸造方法和装置及由此制得的制动盘盘体包括上述本发明说明书的发明内容和具体实施方式部分以及附图所示出的各部分的任意组合，限于篇幅并为使说明书简明而没有将这些组合构成的各方案一一描述。本发明的用于铸造制动盘盘体的装置可以有其他变化，如冒口的形状和尺寸及数量、补贴的形状和尺寸、集渣溢流片的形状、集渣排气棒的数量、整流过滤装置的位置等。总之，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。