一种高速列车制动盘的精密成形工艺的制作方法

本发明涉及一种高速列车制动盘的精密成形工艺，属于锻造成形技术方法领域。

背景技术：

锻造成形的制动盘与铸造所得的制动盘相比，常温和高温机械性能好，韧性好，抗热裂性能高，耐磨性和耐热疲劳性能也都很好。由于其质量要求极高，制造难度较大。目前应用在中国高铁动车组上的锻钢制动盘仍是以国外进口为主。随着我国高速列车的迅猛发展，知识产权的自主化需求也越来越迫切。因此高速列车制动盘的制造成形技术是进行国产化、自主创新的重点。

带散热筋的钢质制动盘其散热筋部位由于高度较高，宽度较窄，在模锻成形时此部位的成形尤其困难。由于盘面尺寸较大，所需设备吨位要求较高。同时，为了保证散热筋的充填完整，对锻造力的需求还会进一步提高。如何采用合理的成形手段、合适的成形工艺、经济的成形设备和模具保证其成形是目前我国制动盘企业面临的主要问题，这一状况严重地阻碍了高速列车钢质制动盘的研发应用。

国内目前大部分企业的锻造生产设备吨位较低，而高速列车制动盘的常规模锻成形需要约4万吨的压力机，因此现有设备难以保证高铁制动盘的模锻成形。为此，如何在现有设备条件下，设计一个合理的成形工艺保障制动盘锻件的质量和精度就成为亟需解决的技术难题。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有高速列车制动盘成形难题，提出了一种高速列车制动盘的精密成形工艺，其解决了钢制锻造制动盘设备需求高、散热筋充填不完整和产品质量不稳定等难题，实现了高速列车制动盘的精密成形。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案来获得高质量、高精度的锻件。具体成形方案包括如下步骤：

本发明是一种高速列车制动盘的精密成形工艺，所述工艺包括如下步骤：

（1）下料：根据高速列车制动盘型号，通过锯床下料获得所需坯料；

（2）加热：采用感应加热至1200±20℃；

（3）镦粗：采用摩擦压力机或液压机将加热后的坯料镦粗成圆饼形；

（4）冲孔：在压力机上用冲头将圆饼形坯料冲出中心孔；

（5）扩孔：在扩孔机上将带孔的圆饼形坯料扩大成所需尺寸的环形坯料；

（6）梯度加热：根据坯料的高度和工艺需求，将环形坯料从上向下分为多个层，每一层采用不同的感应加热工艺参数，最上层温度较低，最下层温度最高1180±20℃，由上至下形成温度梯度；

（7）开式闭式复合模锻成形：将加热后的环形坯料放入凹模中，上模下压，完成制动盘主体的开式模锻成形。保持压力，下冲头向上运动，完成制动盘散热筋部位的闭式模锻成形；

（8）切边：在压力机上将环形锻件内孔飞边和外圆飞边切除得到制动盘锻件；

（9）修毛刺：用砂轮对散热筋部位闭式模锻时从下冲头和凹模间挤出的多余金属进行切除打磨，以提高锻件的表面质量。

（10）热处理：根据梯度加热工艺的变化，采用相应的淬火、回火工艺对制动盘锻件进行热处理；

（11）机械加工：采用数控加工设备将热处理后的制动盘加工至所需尺寸。

本发明的进一步改进在于：所述步骤（6）中的梯度加热工艺中，根据高速列车制动盘的厚度，由上至下划分为一定数目的层次。由上向下，各层次加热温度逐渐提高，最上层温度不低于860±20℃，最下层加热温度最高为1180±20℃。

所述步骤（7）开式闭式复合模锻成形的过程如下：将环形坯料放置于下模上，所述下模按照制动盘热锻件散热筋面的形状设计，散热筋最底面处设计为通孔，按照这些通孔部位散热筋的截面形状设计下冲头，将多个冲头组合成下冲头组。成形时，所述上模下行，在所述下模的联合作用下对制动盘主体部分开式模锻成形，完成制动盘的主体成形，多余金属产生飞边，同时金属不受限制地进入下模散热筋通孔处。保持上模行程或压力不变，所述下冲头上行，对散热筋通孔内的金属进行镦挤闭式模锻成形，获得所需散热筋的形状和高度，多余金属流入所述下模的散热筋通孔和所述下冲头的间隙中形成毛刺。

在所述步骤（7）开式闭式复合模锻成形时，如果流入所述下模散热筋通孔内金属过多，闭式模锻后散热筋处会形成较多毛刺，可通过提高所述步骤（6）中环形坯料上层的加热温度或者最下层的加热温度取较低值来减少此种现象。如果流入所述下模散热筋通孔内金属过少，闭式模锻后散热筋处会充填不完整，可通过降低所述步骤（6）中环形坯料上层的加热温度或者最下层的加热温度取较高值来减少此种缺陷。

本发明的有益效果是：

（1）采用梯度加热，环形坯料由上至下温度逐渐提高，下部的高温使得散热筋处金属塑性好、抗力低、流动容易，可以完成复杂结构的成形；上部的较低温度可以避免金属产生较大变形，产生多余飞边，提高了材料利用率；

（2）采用开式模锻和闭式模锻复合成形，将高速列车制动盘整体的变形分为两个阶段。开式模锻成形制动盘主体，此时接触面大，但其形状简单，金属流入散热筋处不受限制，因此所需模锻力比整体式模锻低。闭式模锻成形制动盘散热筋部位，采用下冲头组块进行镦挤成形，接触面只是散热筋的端面，面积和整个制动盘面积相比小很多，因此设备吨位需求降低，适应更多企业生产；

（3）可以通过梯度加热工艺和开式闭式复合模锻工艺控制飞边和毛刺量的多少；

（4）由于散热筋处采用下模和下冲头组联合成形，模具是分开的，避免了整体式模具成形散热筋时受力过高可能产生的变形、开裂等问题，提高了模具寿命。下模散热筋处由传统模锻工艺的盲孔改为通孔，可以采用线切割加工，其制造加工成本也会降低。

（5）制造工艺简单，设备能耗低，降低了生产成本；

（6）本技术也可用于一面具有复杂突出特征、另一面为平面的大锻件的生产。

附图说明

图1是一种高速列车制动盘的零件结构示意图；

图2是一种高速列车制动盘的锻件结构示意图；

图3是本发明实施例1步骤（6）所述的梯度加热示意图；

图4是本发明实施例1步骤（7）所述的开式闭式复合模锻模具示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施实例对本发明作进一步说明。

图1所示为本发明的一种高速列车制动盘的零件，其上表面带有大量均匀分布的散热筋，下表面为一平面。在整体式常规模锻成形时，由于设备力能所限，散热筋处最难充满，影响了产品质量。为了解决该技术难题，采用了本发明所述梯度加热+开式闭式复合模锻成形方法。具体过程如下：

实施例1

（1）根据图1所示的零件图进行锻件图的设计，适当添加加工余量和加工余块，设计所得的锻件图如图2所示。

（2）根据锻件图，通过锯床下料获得直径为200mm，高度为420mm的圆钢坯料。

（3）采用感应加热炉将下料得到的圆棒料加热至1180℃。

（4）用模锻锤将加热后的坯料镦粗成100mm高的圆饼形，用冲头将圆饼形坯料冲出直径为120mm的中心孔。

（5）在扩孔机上将带孔的圆饼形坯料扩大成所需尺寸的环形坯料，其内径尺寸稍大于锻件的内径尺寸，其外径尺寸稍小于锻件的外径尺寸。

（6）如图3所示，将环形坯料从上至下分为三层，最上层设定加热温度为900℃，中间层加热温度设置为1050℃，最下层加热温度设为1200℃，将环形坯料采用感应加热炉进行梯度加热。

（7）如图4所示，将加热后的环形坯料放入凹模9中，凹模9根据图2锻件图进行设计，散热筋处做成通孔。下冲头组8按照散热筋形状设计，通过压板7和支撑板6固定成整体。采用螺栓5、垫片4和螺母3将凹模9固定于模座2上。上模11固定于压力机上滑块上，模座2固定于压力机工作台面上。成形时，随着压力机滑块的向下运动，上模11下压，在凹模9的联合作用下对制动盘主体进行开式模锻成形，多余金属流入上模11和凹模9之间的飞边槽中，同时金属流入凹模9的散热筋通孔内。保持上模11不动，在压力机下滑块的作用下，顶杆1向上运动，推动支撑板6，带动其上通过压板7固定的下冲头组8向上运动，对开式模锻阶段流入散热筋孔内的金属进行闭式模锻成形，多余的金属流入下冲头8和凹模9散热筋通孔内的间隙形成毛刺。

（8）开模时，压力机上滑块带动上模11回程。随后压力机下滑块上行，带动顶杆1向上运动，推动支撑板6，带动其上通过压板7固定的下冲头组8向上运动，将锻件10顶出。将热锻件转移到切边压力机上，对环形锻件内孔飞边和外圆飞边进行切除。

（9）用砂轮对散热筋部位闭式模锻时从下冲头组8和凹模9间挤出的多余金属毛刺进行切除打磨，以提高锻件的表面质量。

（10）待锻件冷却后，采用淬火、回火工艺对制动盘锻件进行热处理。采用数控加工设备将热处理后的制动盘加工至所需尺寸。

实施例2

采用与实施例1相同的成形工艺，控制圆柱坯料感应加热温度为1220℃，环形坯料梯度加热的最上层加热温度为840℃，中间层加热温度为1000℃，最下层加热温度为1160℃，经过开式模锻和闭式模锻复合成形。

实施例3

采用与实施例1相同的成形工艺，控制圆柱坯料感应加热温度为1200℃，环形坯料梯度加热的最上层加热温度为880℃，中间层加热温度为1030℃，最下层加热温度为1180℃，经过开式模锻和闭式模锻复合成形。

实施例4

采用与实施例1相同的成形工艺，控制圆柱坯料感应加热温度为1180℃，环形坯料梯度加热的最上层加热温度为860℃，中间层加热温度为960℃，最下层加热温度为1060℃，经过开式模锻和闭式模锻复合成形。

上述内容仅为本发明的一种实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的各种等价形式的修改和变化等，均应归属于本发明的权利要求所限定的范围。