高铁制动盘的半固态流变挤压铸造模具和铸造方法

摘要

本发明提供了一种高铁制动盘的半固态流变挤压铸造模具和铸造方法。高铁制动盘的半固态流变挤压铸造模具主要包括：上模固定板、上模、压板、轴孔芯、下模、下模固定板、轴孔芯固定柱、下压头、下压头固定板和加压柱。制动盘的盘体位于下模内，制动盘的冷却筋位于上模内，上模通过压板固定到上模固定板上，下模通过压板固定到下模固定板上，下模的中央垂直安装轴孔芯。多个下压头沿下模的圆周方向均匀分布，下压头固定板的中央与加压柱的上端连接，加压柱的下端与挤压铸造机加压油缸活塞杆连接。本发明方法铸造的制动盘，经过多个压头上下对压，整个工件快速凝固，提高了高铁制动盘的组织细化度和散热筋底部致密度，提高了高铁制动盘的组织性能的均匀性和安全可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及高铁制动盘制造技术领域，尤其涉及一种高铁制动盘的半固态流变挤压铸造模具和铸造方法。

背景技术

制动技术是高速列车的核心技术之一，制动盘则是制动系统中的核心零部件之一。由于高速列车行驶速度高，其制动盘在制动过程中，需要吸收与速度平方成正比的运动能量，发热严重，易产生热斑，其服役性能要求为：高热容、高热导、低密度、摩擦系数稳定等。目前法国、德国、日本、英国等在制动盘领域的研究走在了世界的前沿，我国所需的高速轨道列车制动盘仍是进口为主。经国内学者研究，德国进口的制动盘材质为铁标E级钢ZG25MnNiCrMoA，由此可见制约制动盘国产化的主要原因不是材料而是其成型方法。

申请公布号为CN104128567A和CN104148587A的发明专利通过调整浇注系统和补缩系统的位置防止轮装制动盘在铸造过程中出现缩孔、缩松、砂孔、气孔、渣孔、裂纹等缺陷，但造型时不利于涂料作业的操作，筋板底部常有涂料堆积，经常造成筋板部位产生缺肉、气孔、冷豆等铸造缺陷。

申请公布号为CN105665642A的发明专利公开了轮装制动盘的制造方法和装置及由此制得的轮装制动盘。其步骤包括：制作铸造装置、制作型芯、合箱、熔炼浇注、打箱落砂并清理、对铸件进行粗加工、热处理和精加工。将两个轮装制动盘对接在一起进行合体制造，形成合体铸件，再将合体铸件分离成两个独立的轮装制动盘。该技术虽然解决了因筋板底部涂料堆积造成的缺肉、气孔、冷豆等缺陷和变形问题，但仍存在夹砂、缩孔缩松、组织粗大、裂纹废品、质量一致性差、废砂污染等问题。

针对钢制锻造制动盘设备需求高、散热筋充填不完整问题，申请公布号为CN106734845A的发明专利公开了一种高速列车制动盘的精密成形工艺，其工艺包括下料、加热、镦粗、冲孔、扩孔、梯度加热、开式闭式复合模锻、切边和修毛刺、热处理、机械加工。将制动盘按高度的变化加热到不同温度，将制动盘的散热筋部位对应的模具部分做成单独的下冲头组块，在上模下压完成制动盘主体的开式模锻成形后，下冲头组块向上运动对金属施加压力，完成散热筋部位的闭式模锻成形。该技术虽然在一定程度上解决了散热筋充填不完整的问题，但梯度温度控制困难，同时仍存在工艺流程多、结构复杂、周期长、设备吨位大、废品率高等缺点。

由此可见现有技术中，砂型铸造制动盘易出现缩孔缩松缺陷、裂纹废品、质量一致性差；普通模锻制动盘因散热筋难充满、成型困难、工艺流程多、结构复杂、周期长、设备吨位大、废品率高等缺点，没有获得广泛应用。

发明内容

本发明的实施例提供了一种高铁制动盘的半固态流变挤压铸造模具和铸造方法，以实现有效地铸造高铁制动盘。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

根据本发明的一个方面，提供了一种高铁制动盘的半固态流变挤压铸造模具，包括：上模固定板(1)、上模(2)、压板(3)、轴孔芯(4)、下模(5)、下模固定板(6)、下压头(8)、下压头固定板(9)和加压柱(10)；

所述上模(2)和下模(5)的分界面位于制动盘冷却筋的根部，制动盘的盘体位于下模(5)内，制动盘的冷却筋位于上模(2)内；

所述上模(2)通过压板(3)固定到上模固定板(1)上，所述下模(5)通过压板固定到下模固定板(6)上，所述下模(5)的中央垂直安装轴孔芯(4)；

多个下压头(8)沿下模(5)的圆周方向均匀分布，所有下压头(8)固定在同一个下压头固定板(9)上，所述下压头固定板(9)的中央与所述加压柱(10)的上端连接，所述加压柱(10)的下端与挤压铸造机加压油缸活塞杆连接。

进一步地，所述上模(2)的下端面带有形成制动盘散热筋的相应沟槽，每个沟槽顶部设有排气结构。

进一步地，所述上模(2)和下模(5)的内部均设有水冷却系统。

进一步地，所述上模(2)的外侧面和所述下模(5)的模腔内侧面间的室温间隙为0.8～1.0mm，所述上模(2)的中央孔侧面、所述下模(5)的中央孔侧面与轴孔芯(4)的室温间隙均为0.5～0.8mm。

进一步地，所述下模(5)的内腔直径等于制动盘外径的1.011～1.015倍，深度等于制动盘总高的1.5～2.0倍，下模腔底部设有与下压头(8)数量相一致的通孔。

进一步地，所述半固态流变挤压铸造模具还包括轴孔芯固定柱(7)，所述的轴孔芯(4)为圆柱体，长度为制动盘总高度的2～3倍，上端圆周设有圆角或倒角，下端带有螺柱与轴孔芯固定柱(7)连接，与冷却筋对应的位置设有垂直排气道。

进一步地，所述下压头(8)的直径等于摩擦环宽的0.3～0.8倍，数量为8～12个，沿下模圆周方向的分布圆为摩擦环1/2宽度的圆周。

进一步地，所述半固态流变挤压铸造模具还包括模腿(11)和模腿固定板(12)，所述模腿(11)固定安装在模腿固定板(12)上。

根据本发明的另一个方面，提供了一种高铁制动盘的半固态流变挤压铸造方法，应用于所述的半固态流变挤压铸造模具，其特征在于，所述方法包括：

(1)细化处理：向过热度为80～100℃的钢液中添加钢液量0.2～0.5％的孕育变质剂，搅拌均匀并静置设定时间后，扒除浮渣，得到过热度为10～30℃的低过热钢液；

(2)浇注：将经过细化处理的所述低过热钢液浇入温度为液相线以下100～200℃的耐火材料流槽内，经过耐火材料流槽的冷却，所述低过热钢液流入下模的模腔内，得到近液相线的半固态熔体；

(3)上加压充型：在下模浇注完毕后，上模对制动盘半固态熔体加压，使半固态熔体充满上模的冷却筋沟槽；

(4)上下对压：上模增压下行至制动盘高设定倍数的高度时静止，下压头增压，使制动盘半固态熔体内形成100-150MPa的压强保持2～5min，直至半固态熔体凝固，解除下压头的压力；

(5)开模取件：下抽轴孔芯，在上模回程的同时将制动盘留在下模内，利用下压头将制动盘顶出下模腔。

进一步地，所述方法还包括：

(6)热处理：利用制动盘出模后的余热对制动盘进行均温20～30min后，对制动盘空冷至20～300℃，再对制动盘重新加热后进行调质热处理。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例的半固态流变挤压铸造方法铸造的制动盘质量稳定可靠，由于采用孕育变质加斜坡冷却的半固态熔体制备技术，使浇入模腔的制动盘材料成为半固态熔体，经过多个压头上下对压，同时补压，整个工件快速凝固。解决了现有砂型铸造制动盘存在收缩缺陷、质量一致性差的问题，解决了现有固态锻造制动盘成型困难、废品率高的问题。铸造的高铁制动盘内部的组织均匀细小，提高了高铁制动盘的组织细化度和散热筋底部致密度，进而提高高铁制动盘的组织性能的均匀性和安全可靠性。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的高铁制动盘的半固态流变挤压铸造模具准备阶段的结构示意图；

图2是本发明实施例的图1从下模上面看的俯视图，显示了沿圆周方向均布的8个下压头；

图3是本发明实施例的高铁制动盘的半固态流变挤压铸造模具浇注金属液后合模阶段的示意图；

图4是本发明实施例的高铁制动盘的半固态流变挤压铸造模具合模后加压补缩阶段的示意图。

其中，1-上模固定板、2-上模、3-压板、4-轴孔芯、5-下模、6-下模固定板、7-轴孔芯固定柱、8-下压头、9-下压头固定板、10-加压柱、11-模腿、12-模腿固定板。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

实施例一

半固态流变挤压铸造是一种金属材料成型技术，目前只用于较简单零件的成型。为了解决砂型铸造制动盘存在收缩缺陷、质量一致性差的问题，也为了解决固态锻造制动盘的成型困难、废品率高的问题，本发明提出了一种高铁制动盘的半固态流变挤压铸造模具，以及基于上述半固态流变挤压铸造模具的高铁制动盘的半固态流变挤压铸造方法。

本发明实施例提供的一种高铁制动盘的半固态流变挤压铸造方法，采用孕育与变质细化技术加斜坡冷却法进行半固态熔体的制备，采用挤压铸造技术进行半固态熔体的成型，制动盘水平成型，一模一件，安装螺钉孔不铸出，后续加工形成，中央轴孔利用金属孔芯成型，水平分模，分模面位于冷却筋根部，上加压充型，上下对压凝固和流变补缩。

图1是本发明实施例提供的一种高铁制动盘的半固态流变挤压铸造模具准备阶段的结构示意图，图2是图1从下模上面看的俯视图，显示了沿圆周方向均布的8个下压头。本发明实施例提供的一种高铁制动盘的半固态流变挤压铸造模具，包括上模固定板1、上模2、压板3、轴孔芯4、下模5、下模固定板6、轴孔芯固定柱7、下压头8、下压头固定板9、加压柱10、模腿11和模腿固定板12。

所述上模2和下模5的分界面为水平面，该分界面位于制动盘冷却筋的根部，制动盘的盘体位于下模5内，制动盘的冷却筋位于上模2内。

所述上模2通过压板3固定到上模固定板1上，所述下模5通过压板固定到下模固定板6上。上模固定板1安装在挤压铸造机上，上模2的下端面带有形成制动盘散热筋的相应沟槽，每个沟槽顶部设有排气结构，上模2和下模5内部均设有水冷却系统，上模2可以伸入下模腔，封闭下模腔，对下模腔内的金属液加压，成型出制动盘带散热筋面的形状和尺寸。

所述上模2外侧面和下模5模腔内侧面间的室温间隙为0.8～1.0mm，上模2中央孔侧面、下模5中央孔侧面与轴孔芯4的室温间隙均为0.5～0.8mm。

所述下模5内腔直径等于制动盘外径的1.011～1.015倍，深度等于制动盘总高的1.5～2.0倍，所述下模5的中央垂直安装轴孔芯4，下模腔底部设有与下压头数量相一致的通孔，室温下上述通孔的直径比下压头的直径大0.3～0.7mm，下压头安装到位后，形成一定深度的储料腔。

所述的轴孔芯4为圆柱体，长度为制动盘总高度的2～3倍，轴孔芯4的上端圆周设有圆角或倒角，轴孔芯4的下端带有螺柱，该螺柱与轴孔芯固定柱7连接牢固，轴孔芯4与冷却筋对应的位置设有宽2～3mm、深0.1～0.3的垂直排气道，轴孔芯4的内部设有水冷却系统。

所述下压头8直径等于摩擦环宽的0.3～0.8倍，数量为8～12个，沿下模圆周方向均匀分布，分布圆为摩擦环1/2宽度的圆周。所有下压头8固定在同一个下压头固定板9上，下压头固定板9的中央与加压柱10的上端牢固连接，加压柱10的下端与挤压铸造机加压油缸活塞杆连接。

模腿11同轴安装在模腿固定板12的上表面，模腿11起支撑作用。

实施例二

本发明实施例提供的一种高铁制动盘的半固态流变挤压铸造方法包括以下工艺步骤：

(1)细化处理：向过热度为80～100℃的钢液中添加钢液量0.2～0.5％的孕育变质剂，搅拌均匀并静置30秒后，扒除浮渣，得到过热度为10～30℃的低过热钢液；

(2)浇注：图3是本发明的高铁制动盘的半固态流变挤压铸造模具浇注金属液后合模阶段的示意图。将经过细化处理的上述低过热钢液在5～10秒的时间内一次浇入温度为液相线以下100～200℃的倾斜的耐火材料流槽内，经过耐火材料流槽的冷却，上述低过热钢液流入下模的模腔内，得到近液相线的半固态熔体；

(3)上加压充型：在下模浇注完毕3～6秒时间内，上模对制动盘半固态熔体加压，使半固态熔体充满上模的冷却筋沟槽；

上模通过压板固定到上模固定板上，上模固定板安装在挤压铸造机的上压头上，通过挤压铸造机的上压头带动上模下压对制动盘半固态溶体加压。

(4)上下对压：上模增压下行至制动盘高1.15倍的高度时静止，挤压铸造机加压油缸活塞杆带动加压柱上行，通过下压头固定板带动下压头上行增压，使制动盘半固态熔体内形成100-150MPa的压强，实现上下对压。保压2～5min，直至半固态熔体完全凝固，解除下压头的压力。图4是本发明的高铁制动盘的半固态流变挤压铸造模具合模后加压补缩阶段的示意图。

(5)开模取件：首先解除下压头的压力，下抽下模中的轴孔芯，然后，上模回程的同时将制动盘留在下模内，利用下压头将制动盘顶出下模腔；

(6)热处理：利用制动盘出模后的余热对制动盘进行均温20～30min后，空冷至20～300℃(余热正火)，然后对制动盘重新加热后进行调质热处理。

综上所述，本发明实施例的半固态流变挤压铸造方法铸造的制动盘质量稳定可靠，由于采用孕育变质加斜坡冷却的半固态熔体制备技术，使浇入模腔的制动盘材料成为半固态熔体，经过多个压头上下对压，同时补压，整个工件快速凝固。解决了现有砂型铸造制动盘存在收缩缺陷、质量一致性差的问题，解决了现有固态锻造制动盘成型困难、废品率高的问题。铸造的高铁制动盘内部的组织均匀细小，提高了高铁制动盘的组织细化度和散热筋底部致密度，进而提高高铁制动盘的组织性能的均匀性和安全可靠性。

本发明实施例的半固态流变挤压铸造方法铸造的制动盘成型完整，由于采用了半固态细化处理技术，钢液流变性能和充型能力得到显著改善，冷却筋很容易成型，不会出现冷隔和成型不完整的缺陷；

本发明实施例的半固态流变挤压铸造模具设备投资小。本发明所需液锻机吨位只有1500吨，大大减小了设备投资。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。