高鐵閘片安裝板鍛造成形工藝研究

王 磊，陳 輝

（南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)車車輛學(xué)院，副教授，江蘇 南京 210031）

引言

基礎(chǔ)制動(dòng)裝置保障列車行車安全，在其他制動(dòng)措施均失效情況下，仍使列車在規(guī)定的制動(dòng)距離內(nèi)安全停車。制動(dòng)閘片作為基礎(chǔ)制動(dòng)裝置關(guān)鍵部件，通過與制動(dòng)盤接觸摩擦將動(dòng)車組動(dòng)能轉(zhuǎn)化為盤片摩擦熱能，實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組最終停車或減速［1-3］。目前，浮動(dòng)式制動(dòng)閘片具有摩擦塊可自動(dòng)調(diào)節(jié)，散熱性好、制動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)，在動(dòng)車組中應(yīng)用最為廣泛。浮動(dòng)式制動(dòng)閘片主要由安裝板、摩擦塊、調(diào)整器和彈簧卡圈等零件構(gòu)成，如圖1 所示。閘片摩擦塊通過調(diào)整器和彈簧卡圈浮動(dòng)地連接到安裝板上，通過安裝板背部帶勾滑槽裝配到制動(dòng)夾鉗閘片托上［4］。為節(jié)約更換制動(dòng)閘片成本，摩擦塊磨耗到限后，只更換摩擦塊和彈簧卡圈，安裝板經(jīng)檢修檢測后至少可重復(fù)使用3次。安裝板在動(dòng)車組制動(dòng)過程中工作條件異常惡劣，承受高溫、高壓和振動(dòng)沖擊等綜合作用，對安裝板綜合性能提出更高要求，安裝板一旦發(fā)生斷裂或損壞，造成制動(dòng)閘片脫落，嚴(yán)重威脅動(dòng)車組行車安全。制動(dòng)閘片安裝板是高速動(dòng)車組中大量應(yīng)用的結(jié)構(gòu)件，為了減重需要，結(jié)合安裝板自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將其設(shè)計(jì)成月牙弧形高筋（帶勾）薄壁結(jié)構(gòu)，高筋薄壁部位比較難成形，關(guān)鍵是要控制該處金屬的流動(dòng)，在保證腹板充滿的同時(shí)，高筋也要充填完好，且不需要過大的變形力［5］。因此需要設(shè)計(jì)合理的安裝板模具結(jié)構(gòu)、坯料形狀尺寸。

圖1 浮動(dòng)式制動(dòng)閘片結(jié)構(gòu)圖

1 安裝板結(jié)構(gòu)特性分析

安裝板采用40Cr 材質(zhì)，長度為420mm，寬度為132mm，沿中心對稱分布有36 個(gè)不同直徑的通孔，通孔分別為制動(dòng)閘片防脫落銷孔、調(diào)整器安裝孔、摩擦塊安裝孔和彈簧卡圈安裝孔。安裝板平均板厚8.3mm，中心最薄處3.5mm，外徑處側(cè)壁高31.3mm，內(nèi)徑處側(cè)壁高20.3mm，安裝板反面帶勾滑槽凸臺用于配裝制動(dòng)夾鉗閘片托同步動(dòng)作，在實(shí)際工作中，具有抗制動(dòng)摩擦扭矩的作用，如圖2所示。

圖2 安裝板零件圖

2 安裝板鍛造工藝分析

根據(jù)安裝板的連接和支撐功能，該模鍛件薄板、側(cè)壁內(nèi)徑和外徑部位設(shè)計(jì)為切邊后不機(jī)械加工，厚度方向單邊加工余量設(shè)計(jì)為2.5mm，運(yùn)用UG軟件設(shè)計(jì)安裝板三維模鍛件模型如圖3 所示，質(zhì)量為7.4kg。

圖3 安裝板模鍛件

安裝板為月牙弧形或彎曲類模鍛件，一般先彎曲后再模鍛成形［5～10］。安裝板鍛造工藝擬定為：拔長→彎曲→壓扁→模鍛或拔長→彎曲→模鍛。該安裝板模鍛件是典型的長弧形件，坯料宜選圓棒料，以徑向最大截面積為基數(shù)設(shè)計(jì)圓棒料規(guī)格，如圖4 中A-A 截面，該處截面積為2706.6mm2。側(cè)壁所在徑向部位截面積大，弧形兩端為薄板且面積縮小，即兩端所需坯料體積減小，意味著彎曲前的坯料兩端需拔長，合理分配鍛件截面金屬量，產(chǎn)生理想飛邊，減少材料消耗。擬依據(jù)圖4中B-B截面設(shè)計(jì)坯料拔長后兩端尺寸，B-B 處截面積為1834.3mm2，圓棒料兩端拔長后如圖5所示。

圖4 設(shè)計(jì)截面示意圖

圖5 坯料

3 安裝板成形數(shù)值模擬

3.1 參數(shù)設(shè)定

采用Deform 三維模擬軟件對彎曲及后續(xù)工藝流程進(jìn)行數(shù)值模擬研究。安裝板為對稱件，精密成形變形規(guī)律和載荷同樣具有對稱性，為縮短計(jì)算周期，取二分之一進(jìn)行數(shù)值模擬分析。模擬參數(shù)設(shè)定：坯料選用AISI5140，劃分為40000個(gè)網(wǎng)格，最小單元邊長為2.09mm，求解步長設(shè)為0.65mm，上模運(yùn)動(dòng)速度設(shè)為100mm/s，上模、下模與坯料間摩擦因子均設(shè)為0.3，上模、下模溫度設(shè)為200℃，始鍛溫度設(shè)為1180℃，最后設(shè)定好對稱面、坯料與模具和環(huán)境的熱交換。

3.2 兩種工藝流程數(shù)值模擬分析

彎曲→壓扁→模鍛工藝流程數(shù)值模擬過程如圖6 所示，彎曲→模鍛工藝流程數(shù)值模擬過程如圖7所示。

圖6 彎曲→壓扁→模鍛工藝流程數(shù)值模擬過程

圖7 彎曲→模鍛工藝流程數(shù)值模擬過程

兩種工藝流程中同一模鍛程度充填效果如圖8所示。圖8（b）所示彎曲→模鍛工藝流程先充滿弧形凸臺，圖8（a）所示彎曲→壓扁→模鍛工藝流程在最終模鍛階段時(shí)才充滿弧形凸臺。

圖8 模鍛充填效果

圖7 所示工藝流程比圖6 所示工藝流程少1 道壓扁工序，生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本均有優(yōu)勢，安裝板鍛造工藝流程選拔長→彎曲→模鍛為宜，設(shè)計(jì)坯料彎曲模和鍛模如圖9所示。

圖9 彎曲模、鍛模

3.3 成形過程分析

上模向下行程分別為1.5mm、11mm、12.6mm、14.9mm 時(shí)坯料流動(dòng)速度矢量如圖10所示。坯料在初始變形階段（向下行程1.5mm），以鐓粗變形為主，分別沿徑向向內(nèi)、向外充填模具型腔，如圖10（a）所示。上模繼續(xù)下行（向下行程11mm），坯料仍以鐓粗變形為主，當(dāng)坯料沿徑向向內(nèi)、向外流動(dòng)接觸到上模對應(yīng)部位橋部時(shí)，受橋部阻力，使坯料改變流動(dòng)方向，反擠壓充填上?；⌒瓮古_型腔，同時(shí)，坯料沿周向有些許伸長，如圖10（b）所示。當(dāng)上模向下行程達(dá)12.6mm 時(shí)，弧形凸臺已凸顯，內(nèi)側(cè)弧形凸臺成形程度優(yōu)于外側(cè)弧形凸臺，開始形成飛邊，如圖10（c）所示。當(dāng)上模向下行程到14.9mm，即上、下模打靠時(shí)，飛邊處金屬流動(dòng)速度快，尤其弧形凸臺內(nèi)側(cè)中間位置飛邊流動(dòng)速度最快，達(dá)到1570mm/s，如圖10（d）所示。二分之一安裝板模鍛成形所需變形力如圖11 所示，即整個(gè)安裝板模鍛所需變形力為12.8×2=25.6MN。

圖10 不同行程時(shí)坯料的流動(dòng)速度矢量圖

圖11 安裝板模鍛變形力

4 安裝板試制驗(yàn)證

在鍛造工藝分析和成形數(shù)值模擬基礎(chǔ)上，進(jìn)行安裝板成形工藝試驗(yàn)。設(shè)計(jì)制造彎曲模、成形模和切邊模，在25MN 摩擦壓力機(jī)上采用拔長→彎曲→模鍛的鍛造工序試制安裝板模鍛件。在25MN摩擦壓力機(jī)上成功試制出的安裝板模鍛件成形飽滿，表面品質(zhì)良好，如圖12所示。磁粉檢測表明該模鍛件表面沒有裂紋、折疊等缺陷。

圖12 安裝板試制件

5 結(jié)論

通過對安裝板鍛造成形工藝研究，在結(jié)構(gòu)特性分析基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)安裝板模鍛件、模具和坯料，分別對兩種鍛造工藝流程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，對優(yōu)選的鍛造工藝進(jìn)行實(shí)際工藝試驗(yàn)驗(yàn)證，得到如下結(jié)論：

①采用拔長→彎曲→模鍛工藝具有生產(chǎn)效率高、成本低的優(yōu)勢，成形數(shù)值模擬所需變形力為成形設(shè)備的選擇提供可靠依據(jù)。

②鍛造工藝過程先充滿弧形凸臺可有效保證安裝板側(cè)壁抗剪切強(qiáng)度，對產(chǎn)品使用性能更有利。

③基于優(yōu)選的鍛造工藝流程和數(shù)值模擬試制的安裝板模鍛件成形飽滿，表面品質(zhì)良好，滿足制動(dòng)閘片實(shí)際使用要求。