高铁闸片安装板锻造成形工艺研究

王 磊，陈 辉

（南京铁道职业技术学院 机车车辆学院，副教授，江苏 南京 210031）

引言

基础制动装置保障列车行车安全，在其他制动措施均失效情况下，仍使列车在规定的制动距离内安全停车。制动闸片作为基础制动装置关键部件，通过与制动盘接触摩擦将动车组动能转化为盘片摩擦热能，实现动车组最终停车或减速［1-3］。目前，浮动式制动闸片具有摩擦块可自动调节，散热性好、制动效率高等优点，在动车组中应用最为广泛。浮动式制动闸片主要由安装板、摩擦块、调整器和弹簧卡圈等零件构成，如图1 所示。闸片摩擦块通过调整器和弹簧卡圈浮动地连接到安装板上，通过安装板背部带勾滑槽装配到制动夹钳闸片托上［4］。为节约更换制动闸片成本，摩擦块磨耗到限后，只更换摩擦块和弹簧卡圈，安装板经检修检测后至少可重复使用3次。安装板在动车组制动过程中工作条件异常恶劣，承受高温、高压和振动冲击等综合作用，对安装板综合性能提出更高要求，安装板一旦发生断裂或损坏，造成制动闸片脱落，严重威胁动车组行车安全。制动闸片安装板是高速动车组中大量应用的结构件，为了减重需要，结合安装板自身结构特点，将其设计成月牙弧形高筋（带勾）薄壁结构，高筋薄壁部位比较难成形，关键是要控制该处金属的流动，在保证腹板充满的同时，高筋也要充填完好，且不需要过大的变形力［5］。因此需要设计合理的安装板模具结构、坯料形状尺寸。

图1 浮动式制动闸片结构图

1 安装板结构特性分析

安装板采用40Cr 材质，长度为420mm，宽度为132mm，沿中心对称分布有36 个不同直径的通孔，通孔分别为制动闸片防脱落销孔、调整器安装孔、摩擦块安装孔和弹簧卡圈安装孔。安装板平均板厚8.3mm，中心最薄处3.5mm，外径处侧壁高31.3mm，内径处侧壁高20.3mm，安装板反面带勾滑槽凸台用于配装制动夹钳闸片托同步动作，在实际工作中，具有抗制动摩擦扭矩的作用，如图2所示。

图2 安装板零件图

2 安装板锻造工艺分析

根据安装板的连接和支撑功能，该模锻件薄板、侧壁内径和外径部位设计为切边后不机械加工，厚度方向单边加工余量设计为2.5mm，运用UG软件设计安装板三维模锻件模型如图3 所示，质量为7.4kg。

图3 安装板模锻件

安装板为月牙弧形或弯曲类模锻件，一般先弯曲后再模锻成形［5～10］。安装板锻造工艺拟定为：拔长→弯曲→压扁→模锻或拔长→弯曲→模锻。该安装板模锻件是典型的长弧形件，坯料宜选圆棒料，以径向最大截面积为基数设计圆棒料规格，如图4 中A-A 截面，该处截面积为2706.6mm2。侧壁所在径向部位截面积大，弧形两端为薄板且面积缩小，即两端所需坯料体积减小，意味着弯曲前的坯料两端需拔长，合理分配锻件截面金属量，产生理想飞边，减少材料消耗。拟依据图4中B-B截面设计坯料拔长后两端尺寸，B-B 处截面积为1834.3mm2，圆棒料两端拔长后如图5所示。

图4 设计截面示意图

图5 坯料

3 安装板成形数值模拟

3.1 参数设定

采用Deform 三维模拟软件对弯曲及后续工艺流程进行数值模拟研究。安装板为对称件，精密成形变形规律和载荷同样具有对称性，为缩短计算周期，取二分之一进行数值模拟分析。模拟参数设定：坯料选用AISI5140，划分为40000个网格，最小单元边长为2.09mm，求解步长设为0.65mm，上模运动速度设为100mm/s，上模、下模与坯料间摩擦因子均设为0.3，上模、下模温度设为200℃，始锻温度设为1180℃，最后设定好对称面、坯料与模具和环境的热交换。

3.2 两种工艺流程数值模拟分析

弯曲→压扁→模锻工艺流程数值模拟过程如图6 所示，弯曲→模锻工艺流程数值模拟过程如图7所示。

图6 弯曲→压扁→模锻工艺流程数值模拟过程

图7 弯曲→模锻工艺流程数值模拟过程

两种工艺流程中同一模锻程度充填效果如图8所示。图8（b）所示弯曲→模锻工艺流程先充满弧形凸台，图8（a）所示弯曲→压扁→模锻工艺流程在最终模锻阶段时才充满弧形凸台。

图8 模锻充填效果

图7 所示工艺流程比图6 所示工艺流程少1 道压扁工序，生产效率和生产成本均有优势，安装板锻造工艺流程选拔长→弯曲→模锻为宜，设计坯料弯曲模和锻模如图9所示。

图9 弯曲模、锻模

3.3 成形过程分析

上模向下行程分别为1.5mm、11mm、12.6mm、14.9mm 时坯料流动速度矢量如图10所示。坯料在初始变形阶段（向下行程1.5mm），以镦粗变形为主，分别沿径向向内、向外充填模具型腔，如图10（a）所示。上模继续下行（向下行程11mm），坯料仍以镦粗变形为主，当坯料沿径向向内、向外流动接触到上模对应部位桥部时，受桥部阻力，使坯料改变流动方向，反挤压充填上模弧形凸台型腔，同时，坯料沿周向有些许伸长，如图10（b）所示。当上模向下行程达12.6mm 时，弧形凸台已凸显，内侧弧形凸台成形程度优于外侧弧形凸台，开始形成飞边，如图10（c）所示。当上模向下行程到14.9mm，即上、下模打靠时，飞边处金属流动速度快，尤其弧形凸台内侧中间位置飞边流动速度最快，达到1570mm/s，如图10（d）所示。二分之一安装板模锻成形所需变形力如图11 所示，即整个安装板模锻所需变形力为12.8×2=25.6MN。

图10 不同行程时坯料的流动速度矢量图

图11 安装板模锻变形力

4 安装板试制验证

在锻造工艺分析和成形数值模拟基础上，进行安装板成形工艺试验。设计制造弯曲模、成形模和切边模，在25MN 摩擦压力机上采用拔长→弯曲→模锻的锻造工序试制安装板模锻件。在25MN摩擦压力机上成功试制出的安装板模锻件成形饱满，表面品质良好，如图12所示。磁粉检测表明该模锻件表面没有裂纹、折叠等缺陷。

图12 安装板试制件

5 结论

通过对安装板锻造成形工艺研究，在结构特性分析基础上，设计安装板模锻件、模具和坯料，分别对两种锻造工艺流程进行数值模拟分析，对优选的锻造工艺进行实际工艺试验验证，得到如下结论：

①采用拔长→弯曲→模锻工艺具有生产效率高、成本低的优势，成形数值模拟所需变形力为成形设备的选择提供可靠依据。

②锻造工艺过程先充满弧形凸台可有效保证安装板侧壁抗剪切强度，对产品使用性能更有利。

③基于优选的锻造工艺流程和数值模拟试制的安装板模锻件成形饱满，表面品质良好，满足制动闸片实际使用要求。