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)技術學院 機車車輛學院，副教授，江蘇 南京 210031）

引言

基礎制動裝置保障列車行車安全，在其他制動措施均失效情況下，仍使列車在規(guī)定的制動距離內安全停車。制動閘片作為基礎制動裝置關鍵部件，通過與制動盤接觸摩擦將動車組動能轉化為盤片摩擦熱能，實現(xiàn)動車組最終停車或減速［1-3］。目前，浮動式制動閘片具有摩擦塊可自動調節(jié)，散熱性好、制動效率高等優(yōu)點，在動車組中應用最為廣泛。浮動式制動閘片主要由安裝板、摩擦塊、調整器和彈簧卡圈等零件構成，如圖1 所示。閘片摩擦塊通過調整器和彈簧卡圈浮動地連接到安裝板上，通過安裝板背部帶勾滑槽裝配到制動夾鉗閘片托上［4］。為節(jié)約更換制動閘片成本，摩擦塊磨耗到限后，只更換摩擦塊和彈簧卡圈，安裝板經檢修檢測后至少可重復使用3次。安裝板在動車組制動過程中工作條件異常惡劣，承受高溫、高壓和振動沖擊等綜合作用，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，造成制動閘片脫落，嚴重威脅動車組行車安全。制動閘片安裝板是高速動車組中大量應用的結構件，為了減重需要，結合安裝板自身結構特點，將其設計成月牙弧形高筋（帶勾）薄壁結構，高筋薄壁部位比較難成形，關鍵是要控制該處金屬的流動，在保證腹板充滿的同時，高筋也要充填完好，且不需要過大的變形力［5］。因此需要設計合理的安裝板模具結構、坯料形狀尺寸。

圖1 浮動式制動閘片結構圖

1 安裝板結構特性分析

安裝板采用40Cr 材質，長度為420mm，寬度為132mm，沿中心對稱分布有36 個不同直徑的通孔，通孔分別為制動閘片防脫落銷孔、調整器安裝孔、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，外徑處側壁高31.3mm，內徑處側壁高20.3mm，安裝板反面帶勾滑槽凸臺用于配裝制動夾鉗閘片托同步動作，在實際工作中，具有抗制動摩擦扭矩的作用，如圖2所示。

圖2 安裝板零件圖

2 安裝板鍛造工藝分析

根據安裝板的連接和支撐功能，該模鍛件薄板、側壁內徑和外徑部位設計為切邊后不機械加工，厚度方向單邊加工余量設計為2.5mm，運用UG軟件設計安裝板三維模鍛件模型如圖3 所示，質量為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設計圓棒料規(guī)格，如圖4 中A-A 截面，該處截面積為2706.6mm2。側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，產生理想飛邊，減少材料消耗。擬依據圖4中B-B截面設計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 設計截面示意圖

圖5 坯料

3 安裝板成形數值模擬

3.1 參數設定

采用Deform 三維模擬軟件對彎曲及后續(xù)工藝流程進行數值模擬研究。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，為縮短計算周期，取二分之一進行數值模擬分析。模擬參數設定：坯料選用AISI5140，劃分為40000個網格，最小單元邊長為2.09mm，求解步長設為0.65mm，上模運動速度設為100mm/s，上模、下模與坯料間摩擦因子均設為0.3，上模、下模溫度設為200℃，始鍛溫度設為1180℃，最后設定好對稱面、坯料與模具和環(huán)境的熱交換。

3.2 兩種工藝流程數值模擬分析

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

圖6 彎曲→壓扁→模鍛工藝流程數值模擬過程

圖7 彎曲→模鍛工藝流程數值模擬過程

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，生產效率和生產成本均有優(yōu)勢，安裝板鍛造工藝流程選拔長→彎曲→模鍛為宜，設計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 時坯料流動速度矢量如圖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、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，當坯料沿徑向向內、向外流動接觸到上模對應部位橋部時，受橋部阻力，使坯料改變流動方向，反擠壓充填上模弧形凸臺型腔，同時，坯料沿周向有些許伸長，如圖10（b）所示。當上模向下行程達12.6mm 時，弧形凸臺已凸顯，內側弧形凸臺成形程度優(yōu)于外側弧形凸臺，開始形成飛邊，如圖10（c）所示。當上模向下行程到14.9mm，即上、下模打靠時，飛邊處金屬流動速度快，尤其弧形凸臺內側中間位置飛邊流動速度最快，達到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，即整個安裝板模鍛所需變形力為12.8×2=25.6MN。

圖10 不同行程時坯料的流動速度矢量圖

圖11 安裝板模鍛變形力

4 安裝板試制驗證

在鍛造工藝分析和成形數值模擬基礎上，進行安裝板成形工藝試驗。設計制造彎曲模、成形模和切邊模，在25MN 摩擦壓力機上采用拔長→彎曲→模鍛的鍛造工序試制安裝板模鍛件。在25MN摩擦壓力機上成功試制出的安裝板模鍛件成形飽滿，表面品質良好，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 結論

通過對安裝板鍛造成形工藝研究，在結構特性分析基礎上，設計安裝板模鍛件、模具和坯料，分別對兩種鍛造工藝流程進行數值模擬分析，對優(yōu)選的鍛造工藝進行實際工藝試驗驗證，得到如下結論：

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

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

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