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，因此，开发一种能够稳定生产高速列车铸钢及其他合金的制动盘盘体的铸造工艺是一个很迫切的问题。公布号为CN102069148A的发明专利公开了一种高速机车用制动盘的铸造方法，包括如下步骤：凝固模拟、设计砂芯、芯盒制作、制芯、组芯、熔炼浇注、打箱落砂和清理，该发明采用无箱叠芯组合浇注的方式，一次造型浇注4-8件，生产效率高，但是生产的铸件仍然存在大量的铸造缺陷。公告号为CN202097365U的实用新型专利公开了一种汽车制动盘铸造浇道机构，包括直浇道、横浇道、冒口和铸件，直浇道和横浇道之间设有集渣包I和集渣包II，横浇道和冒口之间设有集渣包III，该实用新型设计了三道集渣道，能滤去铁液中50%以上的夹渣，但是生产的铸件仍然存在大量的铸造缺陷。

技术实现要素：
为克服上述现有技术中存在的问题，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，所述补缩系统的冒口中心置于铸件内侧壁至铸件几何中心的任一位置；在进行模拟分析前，首先对铸件需要达到的技术要求做分析，根据技术要求模拟制动盘盘体的铸造工艺和铸造装置。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；经过不断的调试参数，得到能够达到铸件技术要求的铸造工艺和铸造装置。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，其中当补缩系统的冒口中心置于铸件内侧壁至铸件几何中心的任一位置时，模拟结果显示，制动盘盘体中的缩孔、缩松、砂孔、气孔、渣孔、裂纹等铸造缺陷最少，甚至没有缺陷。从模拟分析结果看，只有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。本发明的浇注系统能有效确保金属液平稳均衡充型，排气顺畅，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，同时能强化铸件的顺序凝固趋势，提高冒口的补缩效率；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，防止铸件发生变形。（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，采用底返引入金属液的方式进行底浇，其中金属液由整流过滤装置底部进入型腔；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、冒口的形状及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，所述冒口的数量为一个，且冒口中心置于铸件几何中心的位置。在上述任一方案中优选的是，所述冒口的数量为一个，且冒口中心置于距离铸件几何中心为10-15mm的位置。当冒口为一个时，冒口底部对应一个内浇口，冒口中心和内浇口中心均置于铸件几何中心或铸件几何中心附近的位置。金属液由内浇口向四周流动，实现平稳均衡的充型，所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。在上述任一方案中优选的是，所述冒口的数量至少为两个，且均匀分布在以铸件几何中心位置为中心的同一个圆周上。在上述任一方案中优选的是，所述冒口的数量至少为两个，且冒口中心置于铸件内侧壁的位置。在上述任一方案中优选的是，所述冒口的数量至少为两个，且冒口中心置于距离铸件几何中心为（1/2）R的位置，其中R为铸件内侧壁至铸件几何中心的距离。当冒口为多个时，并不是每一个冒口底部都对应一个内浇口，可以分段设置内浇口。冒口中心和内浇口中心均置于铸件内侧壁或距离铸件几何中心一定距离的位置。金属液由各个内浇口向四周流动，实现平稳均衡的充型，所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。在上述任一方案中优选的是，所述冒口的数量为六个或八个。在上述任一方案中优选的是，内浇口置于所述冒口的底部，并与铸件相连。内浇口位于补缩铸件的冒口之下，与冒口连接为一体，提高补缩效率。在上述任一方案中优选的是，所述金属液在内浇口的流速为20-60cm/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15-35mm/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生产。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、直浇道、横浇道、内浇道和整流过滤装置，所述补缩系统包括冒口和补贴，所述冒口中心置于铸件内侧壁至铸件几何中心的任一位置。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。浇注系统能有效确保金属液平稳均衡充型，排气顺畅，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，同时能强化铸件的顺序凝固趋势，提高冒口的补缩效率；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，防止铸件发生变形。补缩系统的冒口中心置于铸件内侧壁至铸件几何中心的任一位置时，所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。优选的是，所述浇注系统还包括横浇道溢流段。横浇道溢流段是横浇道的延伸部分，用来收集最初阶段进入浇注系统中的金属液，这些金属液因冲刷清洗浇注系统而温度下降，同时变得不清洁，将其收集起来是为了避免该部分冷而不清洁的金属液进入型腔而影响铸件质量。在上述任一方案中优选的是，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，所述浇口杯、直浇道、横浇道和横浇道溢流段依次相连，便于金属液在进入型腔前流通顺畅，能够平稳的进入内浇道，进而进入型腔；所述冒口与补贴相连，补贴与铸件相连，补贴可作为补缩通道，二者配合补偿铸件在凝固时的收缩，避免产生缩孔、缩松等缺陷。在上述任一方案中优选的是，所述内浇道置于冒口的下方和横浇道的上方。在上述任一方案中优选的是，内浇口置于所述冒口的底部，并与铸件相连。在上述任一方案中优选的是，所述整流过滤装置置于内浇道与横浇道之间。金属液在横浇道中稳定后，先进入整流过滤装置进行过滤，将夹渣、杂质等使铸件产生缺陷的物质过滤掉，然后进入内浇道，进而进入型腔，有效防止铸件产生渣孔、砂孔、裂纹等缺陷。在上述任一方案中优选的是，所述冒口的数量为一个，且冒口中心置于铸件几何中心的位置。在上述任一方案中优选的是，所述冒口的数量为一个，且冒口中心置于距离铸件几何中心为10-15mm的位置。在上述任一方案中优选的是，所述冒口的数量至少为两个，且均匀分布在以铸件几何中心位置为中心的同一个圆周上。在上述任一方案中优选的是，所述冒口的数量至少为两个，且冒口中心置于铸件内侧壁的位置。在上述任一方案中优选的是，所述冒口的数量至少为两个，且冒口中心置于距离铸件几何中心为（1/2）R的位置，其中R为铸件内侧壁至铸件几何中心的距离。在上述任一方案中优选的是，所述冒口的数量为六个或八个。在上述任一方案中优选的是，所述浇口杯、直浇道、横浇道和横浇道溢流段由耐火材料制成，比如陶瓷管和/或陶瓷砖等，因为耐火材料具有良好的保温特性。在上述任一方案中优选的是，所述内浇道由耐火材料制成或由砂型形成。内浇道可由陶瓷管和/或陶瓷砖等具有良好保温特性的耐火材料制成，也可由砂型形成，砂型具有很好的保温效果。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。砂型也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，所述补贴由金属材料或保温耐火材料形成。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、腰圆体或多面体。冒口横截面可为圆形、腰圆形、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生产。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。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5为按照本发明的制动盘盘体的铸造装置的图4的优选实施例的45°仰视立体结构图；图6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7为按照本发明的制动盘盘体的铸造装置的图6的优选实施例的45°仰视立体结构图。图中标注说明：1-铸件，2-冒口，3-补贴，4-浇口杯，5-直浇道，6-横浇道，7-横浇道溢流段，8-内浇道，9-内浇口，10-整流过滤装置，11-集渣溢流片，12-集渣排气棒，13-缩孔缩松。具体实施方式为了更进一步了解本发明的

技术实现要素：
，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，补缩系统的冒口2中心置于铸件1几何中心位置；（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，采用底返引入金属液的方式进行底浇，其中金属液由整流过滤装置10底部进入型腔；（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和铸造装置进行模拟分析。根据最佳模拟结果，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；铸造装置中浇注系统和补缩系统的位置、形状、尺寸、冒口形状及数量等各个参数也均要符合模拟结果。冒口2数量为一个，其底部对应一个内浇口9。冒口2中心和内浇口9中心均置于铸件1几何中心位置。金属液由内浇口向四周流动，实现稳定均衡的充型。冒口2形状为圆柱体，直径为150mm，高度为150mm。通过Magma模拟软件分析，冒口2为一个，且冒口2中心置于铸件1几何中心位置时，所制备的制动盘盘体中没有缩孔缩松13、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在凝固后缩孔缩松缺陷的显示，模拟表明，所有缩孔缩松13都集中在冒口2中，铸件1内部均匀致密，没有缩孔缩松13。金属液在内浇口9的流速为20cm/s，金属液在铸件1中的上升速度为15mm/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。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4、直浇道5、横浇道6、内浇道8和整流过滤装置10，补缩系统包括冒口2和补贴3，冒口2中心置于铸件1几何中心位置。浇注系统还包括横浇道溢流段7、集渣溢流片11和集渣排气棒12。浇口杯4、直浇道5、横浇道6和横浇道溢流段7依次相连，冒口2与补贴36相连。内浇道8置于冒口2的下方和横浇道6的上方。内浇口9置于冒口2的底部，并与铸件1相连。整流过滤装置10置于内浇道8与横浇道6之间。冒口2数量为一个，其形状为圆柱体，直径为150mm，高度为150mm。冒口2中心和内浇口9中心均置于铸件1几何中心位置。浇口杯4、直浇道5、横浇道6和横浇道溢流段7均由耐火材料制成；内浇道8由耐火材料制成；冒口2由砂型形成；补缩时，需增加铸件的形状，所以补贴3由与铸件材料相同的金属材料形成。集渣溢流片11置于铸件1外侧的上下边缘；有两个集渣排气棒12，均布于铸件1外侧，并与上下边缘的集渣溢流片11相连。一种制动盘盘体，由上述的铸造方法和铸造装置制备而成。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，其铸造方法的工艺流程如图1所示，其按照...