專利名稱：一種高速列車制動盤盤轂鍛造模具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鍛造領(lǐng)域，具體地說就是一種高速列車制動盤盤轂鍛造模具。
背景技術(shù)：
制動盤盤轂是高速列車的關(guān)鍵部件，在高速列車剎車時起重要作用。鍛件壁薄，齒部難于加工成形。由于其特殊的工作環(huán)境，對鍛件的組織和性能提出極高的要求，制造難度較大。目前我國該類鍛件幾乎全部依賴進口，制約了我國高鐵行業(yè)的發(fā)展。傳統(tǒng)的自由鍛造方法，齒部之間的金屬全部加工去掉，造成了極大的浪費。外表面和內(nèi)孔加工余量大，導(dǎo)致毛坯利用率低，加工周期長，生產(chǎn)效率低。隨著現(xiàn)代鍛造理論和計算機模擬技術(shù)的發(fā)展，采用模擬技術(shù)預(yù)測復(fù)雜鑄鍛件的成形過程已進入實用階段。國際上開發(fā)出很多模擬軟件(如ABAQUS，ANSYS, MARC, DEFORM 等)來模擬金屬的塑性變形過程。根據(jù)模擬結(jié)果，可以得到鍛件的最終形狀和尺寸，由模擬得到的金屬材質(zhì)的流動方向、不同位置所受的應(yīng)力和應(yīng)變的變化情況等可以預(yù)測鍛件缺陷的類型和產(chǎn)生的位置。通過在計算機平臺上的反復(fù)試驗，可以確定一種最佳的鍛造工藝，并得到模具和毛坯的設(shè)計尺寸，采用計算機模擬技術(shù)對所使用的模具進行設(shè)計和優(yōu)化，用于鍛造高速列車制動盤盤轂，可明顯縮短產(chǎn)品試制的周期，節(jié)省原材料、降低廢品率，進而降低生產(chǎn)成本。
發(fā)明內(nèi)容針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足之處，本發(fā)明的目的在于提供一種高速列車制動盤盤轂鍛造模具，采用該模具生產(chǎn)高速列車制動盤盤轂，能夠大大減少制動盤盤轂鍛件的加工余量，縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。本發(fā)明的技術(shù)方案是—種高速列車制動盤盤轂鍛造模具，包括預(yù)鍛上模、預(yù)鍛下模、終鍛上模、終鍛下模和擠壓沖頭；其中預(yù)鍛上模和預(yù)鍛下模閉合后形成封閉腔體；終端上模和終鍛下模閉合后形成中間為通孔的腔體；用于擠壓預(yù)制坯的沖頭前部為錐形結(jié)構(gòu)，后部為圓柱形結(jié)構(gòu)，前部與后部間為圓角過渡，在使用時，擠壓沖頭可穿過終端上模通孔擠壓預(yù)制坯。用于鐓粗毛坯使金屬填充齒部的預(yù)鍛上模內(nèi)腔為帶臺階的錐形結(jié)構(gòu)；預(yù)鍛上模由預(yù)鍛上模V形底座、位于預(yù)鍛上模V形底座中間的預(yù)鍛上模凸臺構(gòu)成，預(yù)鍛上模V形底座為臺階結(jié)構(gòu)，預(yù)鍛上模凸臺為圓錐體結(jié)構(gòu)。預(yù)鍛下模由9個預(yù)鍛下模齒部、預(yù)鍛下模V形底座和位于預(yù)鍛下模V形底座中間位置的預(yù)鍛下模凸臺構(gòu)成，預(yù)鍛下模凸臺為圓錐體，當(dāng)使用預(yù)鍛下模與預(yù)鍛上模用于擠壓毛坯時，預(yù)鍛下模凸臺與預(yù)鍛上模凸臺相對應(yīng)；預(yù)鍛下模V形底座為臺階結(jié)構(gòu)，臺階上沿預(yù)鍛下模V形底座邊沿均布9個預(yù)鍛下模齒部，預(yù)鍛下模齒部的端部為圓角過渡；由9個預(yù)鍛下模齒部、預(yù)鍛下模V形底座和預(yù)鍛下模凸臺圍成構(gòu)成預(yù)鍛下模內(nèi)腔，預(yù)鍛下模內(nèi)腔內(nèi)外壁為錐形，預(yù)鍛下模內(nèi)腔的拐角處均以圓角過渡，以減小金屬流動過程中的阻力；預(yù)鍛下模內(nèi)腔與預(yù)鍛上模內(nèi)腔形成的腔體為加工零件的形狀。 用于壓緊預(yù)制坯的終鍛上模內(nèi)腔為帶臺階結(jié)構(gòu)的V型通孔，終鍛上模與預(yù)鍛下模
配合使用時，終鍛上模內(nèi)腔的V型通孔與預(yù)鍛下模凸臺位置相對應(yīng)。 終鍛下模為9個終鍛下模齒部、終鍛下模V形底座組成，終鍛下模V形底座中間為
通孔結(jié)構(gòu)；終鍛下模V形底座為臺階結(jié)構(gòu)；臺階上沿終鍛下模V形底座邊沿均布9個終鍛下
模齒部，終鍛下模齒部的端部為圓角過渡；終鍛下模內(nèi)腔內(nèi)外壁為錐形，預(yù)鍛下模內(nèi)腔的拐
角處均以圓角過渡，以減小金屬流動過程中的阻力。 預(yù)鍛上模的尺寸滿足公式
_3]Ii1 上模=ει2 ；11^=(0.4-0.5) ;Ii3 上模= ;Cl1 上模=4+21^;d2 上模=d3_2k;δ 上模=δ ；Y 上模=Y ；b 上模=b+2k;ri 上模=ri+k;r2 上模=d2+k;r3 上模=r3+k;α 上模=α ；R 上模=R 預(yù)；其中，Ii1 為預(yù)鍛上模內(nèi)腔深度，h2 為預(yù)鍛上模凸臺高度，h3丄模為預(yù)鍛上模內(nèi)腔臺階高度，為9個預(yù)鍛上模齒部的最大半徑，為預(yù)鍛上模V形底座臺階外邊沿半徑，r3±s為9個預(yù)鍛上模齒部的最小半徑，Cl1 為預(yù)鍛上模V形底座的最小直徑，d2±s為預(yù)鍛上模凸臺的最大直徑，Y ±ts為預(yù)鍛上模凸臺的錐度，δ 為預(yù)鍛上模V形底座外壁錐度，為相鄰兩預(yù)鍛上模齒部間的距離，為9個預(yù)鍛上模齒部拐角處圓角半徑，α上模為相鄰預(yù)鍛上模齒部中心夾角的1/2, 為加工零件的高度，％為加工零件齒部到側(cè)端面的長度，％為加工零件臺階到側(cè)端面的長度，b為加工零件齒部寬度，Rh為預(yù)制坯齒部內(nèi)凹部分拐角處圓角半徑，α為加工零件相鄰兩齒部中心夾角的1/2，Cl1為加工零件一級臺階的直徑，d2為加工零件二級臺階的直徑，d3為加工零件內(nèi)孔直徑，Γι為加工零件齒部內(nèi)凹部分的最大半徑，r3為加工零件齒部內(nèi)凹部分的最小半徑，k為加工零件的單邊加工余量；角度單位為度，長度單位均為毫米。預(yù)鍛下模的尺寸滿足的條件為Ii1 下模=B1-Ei2-!:;h2 下模=ai+2k-h2 上模-h 預(yù)；h3 下模=；Cl1 下模=d4+2k;d2 下模=d3_2k;α 下模=α ；[0034]S 下摸=6 ；3 下摸=3 ；R 下摸=R預(yù)；b 下摸=b+2k;T1 下摸=r4+k;r2 下摸=r2+k;r3 下摸=:t^+k;r4 下摸=:r3+k;其中，Ii1 TS為預(yù)鍛下模內(nèi)腔深度，h2 TS為預(yù)鍛下模凸臺高度，h3飛模為預(yù)鍛下模內(nèi)腔 臺階高度，巧下模為預(yù)鍛下模V形底座臺階外邊沿的半徑，r2下模為預(yù)鍛下模內(nèi)腔對應(yīng)0 T+s角 度斜坡的最大半徑，r3TS為9個預(yù)鍛下模齒部的最大半徑，r4TS為9個預(yù)鍛下模齒部的最 小半徑，Cl1 TS為預(yù)鍛下模V形底座的最小直徑，d2TS為預(yù)鍛下模凸臺的最大直徑，0下模為 預(yù)鍛下模V形底座臺階處斜坡的斜度，Y TS為預(yù)鍛下模凸臺的錐度，8 TS為預(yù)鍛下模V型 底座外壁的錐度，bTS為相鄰兩預(yù)鍛下模齒部間的距離，Rts為9個預(yù)鍛下模齒部拐角處圓 角半徑，a TS為相鄰兩預(yù)鍛下模齒部中心偏角的1/2, 為加工零件的高度，ち為加工零件 齒部到側(cè)端面的長度，h2±s為預(yù)鍛上模凸臺高度，為預(yù)制坯連皮厚度，t為預(yù)制坯飛邊厚 度，b為加工零件齒部寬度，R為加工零件齒部內(nèi)凹部分拐角處圓角半徑，a為加工零件相 鄰兩齒部中心偏角的1/2，^為加工零件齒部側(cè)面斜坡的錐度，(14為加工零件臺階的直徑， d3為加工零件內(nèi)孔直徑，為加工零件齒部內(nèi)凹部分的最大半徑，r2為加工零件齒部側(cè)面 3錐度斜坡的最大半徑，r3為加工零件齒部內(nèi)凹部分的最小半徑，r4為加工零件齒部的最 大半徑，k為加工零件的單邊加工余量；角度單位為度，長度單位均為毫米。終鍛上模的尺寸滿足的公式為d'！上摸=Cl1 上摸；d'2 上摸=d2 上模+e;h'！上摸=Ii1 上摸；h'2 上模=Ii2 上摸；6 ‘上摸=6上模；a ‘上摸=a上模；r' ！上摸=巧上摸；r' 2 上摸=r2 上摸；r' 3 上摸=r3 上摸；b'上摸=b上摸；R'上摸=R上模；其中，d' 為終鍛上模V形底座內(nèi)腔的最小直徑，d' 為終鍛上模通孔的直 徑，h' 為終鍛上模V形底座內(nèi)腔的高度，h' 為終鍛上模V形底座臺階高度，S ‘
為終鍛上模V形底座內(nèi)腔錐度，a ‘ 為兩相鄰終鍛上模齒部偏角的1/2，r' 為終 鍛上模齒部的最大半徑，r' 2上模為終鍛上模V形底座臺階外邊沿的半徑，r' 3上模為終鍛上 模齒部的最小半徑，b' ± 為相鄰兩終鍛上模齒部間的距離，R' ± 為9個終鍛上模齒部拐 角處圓角半徑，h1±s為預(yù)鍛上模內(nèi)腔深度，h2±s為預(yù)鍛上模凸臺高度，為9個預(yù)鍛上模齒部的最大半徑，r2±s為預(yù)鍛上模V形底座臺階外邊沿的半徑，r3±s9個為預(yù)鍛上模齒部的最小半徑，δ 為預(yù)鍛上模V型底座內(nèi)腔錐度，為相鄰兩預(yù)鍛上模齒部間的距離，R± 模為9個預(yù)鍛上模齒部拐角處圓角半徑，α 為相鄰兩預(yù)鍛上模齒部中心夾角的1/2，e為沖壓沖頭與終鍛上模之間的間隙；角度單位為度，長度單位均為毫米。擠壓沖頭的尺寸滿足的公式為Ill 沖=Ii2 上模；Ii2W=(LS-Z-O)Ei1;γ ‘ = γ ；d沖=d2 上模；其中，Ii1 #為擠壓沖頭圓錐部分高度，為擠壓沖頭高度，Y'為擠壓沖頭的圓錐角度，為擠壓沖頭圓柱部分直徑，h2±s為預(yù)鍛上模凸臺高度，ai為加工零件的高度，Y為預(yù)制坯內(nèi)腔的錐度；角度單位為度，長度單位均為毫米。本發(fā)明的有益效果是1.采用本發(fā)明模具生產(chǎn)高速列車制動盤盤轂，能夠大大減少盤轂毛坯鍛件的加工余量，減小后續(xù)冷加工的難度，縮短盤轂產(chǎn)品的生產(chǎn)周期；2.根據(jù)有限元模擬技術(shù)驗證模具滿足的尺寸要求，減少鍛造時模具的磨損量。
圖la b為盤轂粗加工零件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖Ia為主視圖，圖Ib為圖Ia的剖視圖；圖加-b為盤轂預(yù)制坯的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2a為主視圖，圖2b為圖加的剖視圖；圖3a_b為盤轂預(yù)鍛上模的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3a為主視圖，圖北為圖3a的剖視圖；圖如-b為盤轂預(yù)鍛下模的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4a為主視圖，圖4b為圖如的剖視圖；圖fe-b為盤轂終鍛上模的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5a為主視圖，圖恥為圖如的剖視圖；圖6為擠壓沖頭的剖視圖；圖7a_f為盤轂鍛件鍛造過程流程示意圖，其中圖7a_b為預(yù)鍛時模具鐓粗擠壓過程示意圖，7a為預(yù)鍛開始時預(yù)鍛上模、預(yù)鍛下模、毛坯的位置示意圖，7b為預(yù)鍛結(jié)束時預(yù)鍛上模、預(yù)鍛下模、毛坯的位置示意圖；圖7c_d為終鍛時模具擠壓過程示意圖，圖7c為終鍛開始時終鍛上模、預(yù)鍛下模、 擠壓沖頭的位置示意圖，7d為終鍛結(jié)束時終鍛上模、預(yù)鍛下模、擠壓沖頭的位置示意圖；圖7e_f為沖孔時模具剪切過程示意圖，7e為沖孔開始時終鍛上模、終鍛下模、沖孔沖頭的位置示意圖，7f為沖孔結(jié)束時終鍛上模、終鍛下模、沖孔沖頭的位置示意圖；圖8為有限元模擬得到的終鍛件與加工零件的比較示意圖；圖9為有限元模擬得到的擠壓力隨時間變化曲線；圖中，1為預(yù)鍛上模；2為預(yù)鍛下模；3為毛坯；4為預(yù)制坯；5為終鍛上模；6為擠壓沖頭；7為擠壓成形件；8為終鍛下模；9為沖孔沖頭；10為終鍛件；11為加工零件；12為加工零件齒部；13為加工零件臺階圓柱筒；14為預(yù)制坯臺階圓錐筒；15為預(yù)制坯齒部；16為預(yù)制坯連皮；17為預(yù)鍛下模齒部；18為預(yù)鍛上模V型底座；19為預(yù)鍛上模凸臺；20為預(yù)鍛下模V型底座；21為預(yù)鍛下模凸臺。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖及實施例詳述本發(fā)明，本發(fā)明中除角度以外，其他長度單位均為毫米。如圖7a_f所示，制動盤盤轂鍛件的鍛造流程為(1)將加熱到一定溫度的圓柱形毛坯3，放在預(yù)鍛上模1和預(yù)鍛下模2間，如附圖 7a所示；(2)將毛坯3鐓粗到連皮為指定厚度的預(yù)制坯4，如附圖7b所示；(3)將預(yù)制坯4放在預(yù)鍛下模2和終鍛上模5之間，終鍛上模5與預(yù)制坯4接觸， 如附圖7c所示；(4)使用擠壓沖頭6擠壓預(yù)制坯4，直到金屬充填滿預(yù)鍛下模2和終鍛上模5的型腔形成擠壓成形件7，如附圖7d所示；(5)將擠壓成形件7放在終鍛上模5和終鍛下模8的型腔中，并將擠壓成形件7壓緊，如附圖7e所示；(6)使用沖孔沖頭9將擠壓成形件7的連皮沖掉，如附圖7f所示；本發(fā)明重點在于，對上述流程中使用到的鍛造模具和預(yù)制坯的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，減少盤轂毛坯鍛件的加工余量，減小后續(xù)冷加工的難度，縮短盤轂產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。本發(fā)明根據(jù)零件加工圖紙，采用解析法獲得了預(yù)制坯的尺寸的設(shè)計公式，對應(yīng)鍛造流程中的步驟C3)和(4)中的預(yù)制坯。采用解析法推導(dǎo)了由毛坯鐓粗擠壓后的預(yù)制坯的尺寸關(guān)系式，如圖加-b所示，預(yù)制坯4由臺階圓錐體14、9個相同的齒部15和中部設(shè)置的預(yù)制坯連皮16構(gòu)成。其中9個相同的齒部15均勻分布于預(yù)制坯外周圍，預(yù)制坯連皮16為圓形設(shè)置于中間部位，臺階圓錐體14位于預(yù)制坯連皮16的四周，高度突出于預(yù)制坯連皮16。采用解析法推導(dǎo)預(yù)制坯尺寸設(shè)計公式的過程如下根據(jù)零件加工圖紙，設(shè)計得到的制動盤盤轂預(yù)制坯各部位尺寸設(shè)計公式(單位， mm)如下假設(shè)加工零件的單邊加工余量為k，alH=a2-a3;￡i2H=￡i4+2k;δ = 3° 5° ；γ = δ+2° ；b 預(yù)=b+2k;R預(yù)=(1· 00 1. 20)R ；α 預(yù)=α ；巧預(yù)=!^+!^;r2H=r2+k;r3 預(yù)=r3+k;β 預(yù)=β ；其中，盤轂加工零件尺寸代號的含義如下a2為加工零件齒部到側(cè)端面的長度，a3為加工零件臺階角度到側(cè)端面的長度，a4為加工零件齒部高度，b為加工零件齒部寬度，R為加工零件齒部內(nèi)凹部分拐角處圓角半徑，α為加工零件相鄰兩齒部中心線間的角度的1/2，Γι為加工零件齒部內(nèi)凹部分的最大半徑，r2為加工零件齒部側(cè)面β錐度的最大半徑，r3為加工零件齒部內(nèi)凹部分的最小半徑， β為加工零件齒部側(cè)面斜坡的錐度。盤轂預(yù)制坯鍛件尺寸代號的含義如下alS為預(yù)制坯臺階高度， ^為預(yù)制坯齒部高度，為預(yù)制坯齒部內(nèi)凹部分的最大半徑，r2H為預(yù)制坯齒部側(cè)面β錐度斜坡的最大半徑，為預(yù)制坯齒部內(nèi)凹部分的最小半徑，Y為預(yù)制坯內(nèi)腔的錐度，S為預(yù)制坯外壁的錐度；bH為預(yù)制坯齒部寬度，??？^為預(yù)制坯齒部內(nèi)凹部分拐角處圓角半徑，α H為預(yù)制坯相鄰兩齒部中心線間的角度的1/2，為預(yù)制坯齒部側(cè)面斜坡的錐度。預(yù)鍛上模1的作用是橫向鐓粗毛坯3，使金屬橫向流向9個齒部，即預(yù)鍛上模內(nèi)腔和預(yù)鍛下模內(nèi)腔，縱向擠壓毛坯3，使金屬沿預(yù)鍛上模1和預(yù)鍛下模凸臺21流動。參見圖3a_b，預(yù)鍛上模1由預(yù)鍛上模V形底座18、預(yù)鍛上模凸臺19構(gòu)成。預(yù)鍛上模V形底座18為臺階結(jié)構(gòu)，h3±s為臺階距底座底部的距離；預(yù)鍛上模凸臺19為圓錐體，(Cl1 ±s-d2±s)/2為圓錐體底端距底座底部邊沿的距離。預(yù)鍛上模各部位尺寸滿足的公式(單位，mm)如下h1±ts= a2 ；h2 上模=(0. 4 0. 5) (ai+2k)；h3 上模= ;Cl1 上模=(^+21^;d2 上模=d3_2k;δ 上模=δ ；y 上模=y ；b 上模=b+2k;ri 上模=ri+k;r2 上模=d2+k;r3 上模=r3+k;α 上模=α ；R 上模=R預(yù)；其中，Ii1 為預(yù)鍛上模內(nèi)腔深度，h2 為預(yù)鍛上模凸臺高度，h3 為預(yù)鍛上模內(nèi)腔臺階高度，為9個預(yù)鍛上模齒部的最大半徑，為預(yù)鍛上模V形底座臺階外邊沿半徑，r3±s為9個預(yù)鍛上模齒部的最小半徑，Cl1 為預(yù)鍛上模V形底座的最小直徑，d2±s為預(yù)鍛上模凸臺的最大直徑，Y ±ts為預(yù)鍛上模凸臺的錐度，δ 為預(yù)鍛上模V形底座外壁錐度，為相鄰兩預(yù)鍛上模齒部間的距離，為9個預(yù)鍛上模齒部拐角處圓角半徑，α上模為相鄰預(yù)鍛上模齒部中心夾角的1/2, 為加工零件的高度，％為加工零件齒部到側(cè)端面的長度，％為加工零件臺階到側(cè)端面的長度，b為加工零件齒部寬度，Rh為預(yù)制坯齒部內(nèi)凹部分拐角處圓角半徑，α為加工零件相鄰兩齒部中心夾角的1/2，Cl1為加工零件一級臺階的直徑，d2為加工零件二級臺階的直徑，d3為加工零件內(nèi)孔直徑，Γι為加工零件齒部內(nèi)凹部分的最大半徑，r3為加工零件齒部內(nèi)凹部分的最小半徑，k為加工零件的單邊加工余量；角度單位為度，長度單位均為毫米。預(yù)鍛下模2的主要作用是提供毛坯發(fā)生鐓粗擠壓和形成齒部的模腔，根據(jù)預(yù)制坯的形狀，預(yù)鍛下模內(nèi)腔的拐角處以圓角過渡，以減小金屬流動過程中的阻力。參見圖如-b，預(yù)鍛下模2由9個預(yù)鍛下模齒部17、預(yù)鍛下模V形底座20和預(yù)鍛下模凸臺21構(gòu)成。預(yù)鍛下模V形底座20為臺階結(jié)構(gòu)，臺階高度為h3TS ；臺階上沿預(yù)鍛下模 V形底座20邊沿均布9個預(yù)鍛下模齒部17 ；預(yù)鍛下模凸臺21為圓錐體，圓錐體底端距底座底部邊沿的距離為(dlTS-d2TS)/2。預(yù)鍛下模各部位尺寸設(shè)計公式(單位，mm)如下Ii1 下模=B1-Ei2-!:;h2 下模=ai+2k-h2 上模-h 預(yù)；1 下模=a1~a2-a4~t ；Cl1 下模=d4+2k;d2 下模=d3_2k;α 下模=α ；δ 下模=δ ；β 下模=β ；Y 下模=Y ；Rrts= Rs ；b 下模=b+2k;巧下模=:^+!^;r2 下模=r2+k;r3 下模=ri+k;r4 下模=r3+k;其中，Ii1 TS為預(yù)鍛下模內(nèi)腔深度，h2 TS為預(yù)鍛下模凸臺高度，h3飛模為預(yù)鍛下模內(nèi)腔臺階高度，^TS為預(yù)鍛下模V形底座臺階外邊沿的半徑，r2TS為預(yù)鍛下模內(nèi)腔對應(yīng)β〒《角度斜坡的最大半徑，r3TS為9個預(yù)鍛下模齒部的最大半徑，r4TS為9個預(yù)鍛下模齒部的最小半徑，Cl1 TS為預(yù)鍛下模V形底座的最小直徑，d2TS為預(yù)鍛下模凸臺的最大直徑，β下模為預(yù)鍛下模V形底座臺階處斜坡的斜度，γ TS為預(yù)鍛下模凸臺的錐度，δ TS為預(yù)鍛下模V型底座外壁的錐度，bTS為相鄰兩預(yù)鍛下模齒部間的距離，Rts為9個預(yù)鍛下模齒部拐角處圓角半徑，α TS為相鄰兩預(yù)鍛下模齒部中心偏角的1/2, 為加工零件的高度，％為加工零件齒部到側(cè)端面的長度，h2±s為預(yù)鍛上模凸臺高度，hH為預(yù)制坯連皮厚度，t為預(yù)制坯飛邊厚度，b為加工零件齒部寬度，R為加工零件齒部內(nèi)凹部分拐角處圓角半徑，α為加工零件相鄰兩齒部中心偏角的1/2，β為加工零件齒部側(cè)面斜坡的錐度，d4為加工零件臺階的直徑， d3為加工零件內(nèi)孔直徑，Γι為加工零件齒部內(nèi)凹部分的最大半徑，r2為加工零件齒部側(cè)面 β錐度斜坡的最大半徑，r3為加工零件齒部內(nèi)凹部分的最小半徑，r4為加工零件齒部的最大半徑，k為加工零件的單邊加工余量；角度單位為度，長度單位均為毫米。終鍛上模5的主要作用是壓緊預(yù)制坯，保證在擠壓時金屬流向上模和下模未充滿金屬處。參見圖fe-b，終鍛上模5為通孔結(jié)構(gòu)，這樣可以使擠壓沖頭6在通孔內(nèi)自由運動。 通孔為V型臺階結(jié)構(gòu)，臺階距分模面距離h' 1±ts-h' 為終鍛上模V形底座內(nèi)腔的高度h' 與終鍛上模V形底座臺階高度h' 之差。終鍛上模各部位尺寸滿足的公式(單 1AA, mm)如下d' i 上摸=(I1 上摸；d' 2 上摸=d2 上模+e;h' ！上摸=Ii1 上摸；h' 2 上模=h2 上摸；6 ‘上摸=6上模；a ‘上摸=a上模；r'丄上摸=巧上摸；r' 2 上摸=r2 上摸；r' 3 上摸=r3 上摸;b'上摸=b上摸；R'上摸=R上摸；其中，d' 為終鍛上模V形底座內(nèi)腔的最小直徑，d' 為終鍛上模通孔的直 徑，h' 為終鍛上模V形底座內(nèi)腔的高度，h' 為終鍛上模V形底座臺階高度，S ‘
為終鍛上模V形底座內(nèi)腔錐度，a ‘ 為兩相鄰終鍛上模齒部偏角的1/2，r' 為終 鍛上模齒部的最大半徑，r' 2上模為終鍛上模V形底座臺階外邊沿的半徑，r' 3上模為終鍛上 模齒部的最小半徑，b' ± 為相鄰兩終鍛上模齒部間的距離，R' ± 為9個終鍛上模齒部拐 角處圓角半徑，h1±s為預(yù)鍛上模內(nèi)腔深度，h2±s為預(yù)鍛上模凸臺高度，為9個預(yù)鍛上模 齒部的最大半徑，r2±s為預(yù)鍛上模V形底座臺階外邊沿的半徑，r3±s9個為預(yù)鍛上模齒部 的最小半徑，6 為預(yù)鍛上模V型底座內(nèi)腔錐度，為相鄰兩預(yù)鍛上模齒部間的距離，R± 模為9個預(yù)鍛上模齒部拐角處圓角半徑，a 為相鄰兩預(yù)鍛上模齒部中心夾角的1/2，e為 沖壓沖頭與終鍛上模之間的間隙；角度單位為度，長度單位均為毫米。擠壓沖頭6的作用是擠壓預(yù)制坯連皮出金屬，使金屬流動填滿終鍛型腔未填滿金 屬處。參見圖6，擠壓沖頭前部為圓錐體結(jié)構(gòu)，后部為圓柱體結(jié)構(gòu)，全部和后部的中間連 接處為圓角過渡。擠壓沖頭6各部分尺寸設(shè)計公式(単位，mm)如下Ii1 沖=Ii2 上摸；1^,= (1.5-2.0) ;Y1=Y;d沖=d2 上摸；其中，Ii1 #為擠壓沖頭圓錐部分高度，為擠壓沖頭高度，Y'為擠壓沖頭的圓錐 角度，為擠壓沖頭圓柱部分直徑，h2±s為預(yù)鍛上模凸臺高度，ai為加工零件的高度，Y為 預(yù)制坯內(nèi)腔的錐度；角度單位為度，長度單位均為毫米。采用有限元模擬軟件對本發(fā)明制動盤盤轂鍛造成形模具和鍛造流程進行驗證，具 體為采用Deform模擬軟件對制動盤盤轂鍛造流程中，金屬在預(yù)鍛上模和預(yù)鍛下模內(nèi)腔的 分流進行模擬驗證，保證預(yù)鍛型腔填充適量金屬的同吋，終鍛時金屬同時到達終鍛上模型
腔的頂端和預(yù)鍛下模型腔的底端，從而驗證了當(dāng)預(yù)制坯的關(guān)鍵系數(shù)為h預(yù)/a1+2k = 1/5~ 1/4吋，所選用的沖壓機的噸位可達到最小，實際過程中，盡力降低沖壓機的噸位，其中，為預(yù)制坯連皮厚度，B1為加工零件高度，k為加工零件單邊加工余量；通過模擬得到如圖9所示的有限元模擬得到的擠壓力隨時間變化曲線，進而根據(jù)預(yù)制坯滿足的公式，結(jié)合解析法得到預(yù)鍛模具滿足的尺寸公式，此關(guān)鍵系數(shù)是預(yù)鍛成形后預(yù)制坯連皮厚度1^與預(yù)鍛模腔總高度的比值；所述預(yù)鍛模腔總高度為預(yù)鍛上模內(nèi)腔高度h1±s、預(yù)鍛下模內(nèi)腔高度IllTS和預(yù)制坯飛邊厚度t之和。采用本發(fā)明模具得到終鍛件與加工零件的形態(tài)比較示意圖，如圖8所示。本發(fā)明模具在鍛造預(yù)制坯的過程中，采用預(yù)鍛上模的V型圓錐體結(jié)構(gòu)和預(yù)鍛下模的V型圓錐體結(jié)構(gòu)鐓粗毛坯，同時預(yù)鍛上模V形底座內(nèi)腔外壁和預(yù)鍛下模的V形底座內(nèi)腔外壁阻礙毛坯金屬的橫向流動；在預(yù)制坯終鍛過程中，采用擠壓沖頭擠壓預(yù)制坯連皮，直至金屬填滿型腔；最后采用沖孔沖頭沖掉連皮，取下終鍛上模和終端下模，沖孔沖頭為圓柱體結(jié)構(gòu)，圓柱體的直徑為終鍛上模通孔的最小直徑。實施例本實施例為采用本發(fā)明鍛造零件為200公里/小時至350公里/小時高速列車制動盤盤轂，坯料材質(zhì)為40CrA，零件重18. 218Kg，坯料加熱溫度為1200°C，模具材質(zhì)為 55CrNi。設(shè)計鍛后加工余量為5mm。本實施例中通關(guān)鍵參數(shù)為最優(yōu)化的預(yù)制坯連皮厚度32 40mm。進而通過結(jié)合解析法得到預(yù)鍛上模的主要尺寸預(yù)鍛上模V型底座內(nèi)腔深度93mm，預(yù)鍛上模V型底座內(nèi)腔外壁的錐度3° 5°，預(yù)鍛上模凸臺高度64 80mm，預(yù)鍛上模凸臺錐度5° 7° ； 通過解析法得到預(yù)鍛下模的主要尺寸預(yù)鍛下模V型底座內(nèi)腔深度57mm，預(yù)鍛下模V型底座內(nèi)腔外壁的錐度3° 5°，預(yù)鍛下模凸臺高度40 54mm，預(yù)鍛下模凸臺錐度5° 7° ； 終鍛上模V型底座內(nèi)腔深度93mm，終鍛上模V型底座內(nèi)腔外壁的錐度3° 5°，終鍛上模通孔直徑192mm。采用上述的模具，對200公里/小時至350公里/小時高速列車制動盤盤轂進行制備，預(yù)鍛時上模鐓粗擠壓毛坯直至飛邊厚度為5mm，得到預(yù)制坯。將預(yù)制坯回爐加熱制1200°C，出爐后放在預(yù)鍛下模上，用終鍛上模壓緊飛邊，這樣可以保證金屬只發(fā)生縱向流動。用擠壓沖頭擠壓預(yù)制坯，直至金屬填滿模具型腔，擠壓沖頭與終鍛上模留有2mm的間隙，保證金屬充滿型腔后，不會產(chǎn)生很大的擠壓力。把預(yù)鍛下模換成終鍛下模，用沖孔沖頭沖掉擠壓件的連皮。得到的高速列車制動盤盤轂相比現(xiàn)有的技術(shù)，能夠大大減少盤轂毛坯鍛件的加工余量，減小后續(xù)冷加工的難度，縮短盤轂產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，經(jīng)試驗驗證，采用本發(fā)明的設(shè)計方法，盤轂的缺陷少，高質(zhì)量較高。
權(quán)利要求1.一種高速列車制動盤盤轂鍛造模具，其特征在于，包括預(yù)鍛上模、預(yù)鍛下模、終鍛上模、終鍛下模和擠壓沖頭；其中預(yù)鍛上模和預(yù)鍛下模閉合后形成封閉腔體；終端上模和終鍛下模閉合后形成中間為通孔的腔體；用于擠壓預(yù)制坯的沖頭前部為錐形結(jié)構(gòu)，后部為圓柱形結(jié)構(gòu)，前部與后部間為圓角過渡，在使用時，擠壓沖頭可穿過終端上模通孔擠壓預(yù)制坯。
2.按照權(quán)利要求1所述的高速列車制動盤盤轂鍛造模具，其特征在于，用于鐓粗毛坯使金屬填充齒部的預(yù)鍛上模內(nèi)腔為帶臺階的錐形結(jié)構(gòu)；預(yù)鍛上模由預(yù)鍛上模V形底座、位于預(yù)鍛上模V形底座中間的預(yù)鍛上模凸臺構(gòu)成，預(yù)鍛上模V形底座為臺階結(jié)構(gòu)，預(yù)鍛上模凸臺為圓錐體結(jié)構(gòu)。
3.按照權(quán)利要求1所述的高速列車制動盤盤轂鍛造模具，其特征在于，預(yù)鍛下模由9個預(yù)鍛下模齒部、預(yù)鍛下模V形底座和位于預(yù)鍛下模V形底座中間位置的預(yù)鍛下模凸臺構(gòu)成， 預(yù)鍛下模凸臺為圓錐體，當(dāng)使用預(yù)鍛下模與預(yù)鍛上模用于擠壓毛坯時，預(yù)鍛下模凸臺與預(yù)鍛上模凸臺相對應(yīng)；預(yù)鍛下模V形底座為臺階結(jié)構(gòu)，臺階上沿預(yù)鍛下模V形底座邊沿均布9 個預(yù)鍛下模齒部，預(yù)鍛下模齒部的端部為圓角過渡；由9個預(yù)鍛下模齒部、預(yù)鍛下模V形底座和預(yù)鍛下模凸臺圍成構(gòu)成預(yù)鍛下模內(nèi)腔，預(yù)鍛下模內(nèi)腔內(nèi)外壁為錐形，預(yù)鍛下模內(nèi)腔的拐角處均以圓角過渡，以減小金屬流動過程中的阻力；預(yù)鍛下模內(nèi)腔與預(yù)鍛上模內(nèi)腔形成的腔體為加工零件的形狀。
4.按照權(quán)利要求1所述的高速列車制動盤盤轂鍛造模具，其特征在于，用于壓緊預(yù)制坯的終鍛上模內(nèi)腔為帶臺階結(jié)構(gòu)的V型通孔，終鍛上模與預(yù)鍛下模配合使用時，終鍛上模內(nèi)腔的V型通孔與預(yù)鍛下模凸臺位置相對應(yīng)。
5.按照權(quán)利要求1所述的高速列車制動盤盤轂鍛造模具，其特征在于，終鍛下模為9個終鍛下模齒部、終鍛下模V形底座組成，終鍛下模V形底座中間為通孔結(jié)構(gòu)；終鍛下模V形底座為臺階結(jié)構(gòu)；臺階上沿終鍛下模V形底座邊沿均布9個終鍛下模齒部，終鍛下模齒部的端部為圓角過渡；終鍛下模內(nèi)腔內(nèi)外壁為錐形，預(yù)鍛下模內(nèi)腔的拐角處均以圓角過渡，以減小金屬流動過程中的阻力。
6.按照權(quán)利要求2所述的高速列車制動盤盤轂鍛造模具，其特征在于，預(yù)鍛上模的尺寸滿足公式
7.按照權(quán)利要求3所述的高速列車制動盤盤轂鍛造模具，其特征在于，預(yù)鍛下模的尺寸滿足的條件為hi 下模=ai~a2~t ； K下模=ai+2k~h2上模-h預(yù)； ^3 TfS= ai_a2_a4~t ； dI 下模=d4+2k ； 4 下模=d3-2k ； α下模=α ； 5下模=5 ；β TfS= β ；R下模=R預(yù)； b下模=b+2k；rI 下模=r4+k ； Γ2 下模=r2+k ； r3下模=巧+k ； Γ4 下模=r3+k ；其中，Ii1 TS為預(yù)鍛下模內(nèi)腔深度，h2TS為預(yù)鍛下模凸臺高度，h2TS為預(yù)鍛下模內(nèi)腔臺階高度，^TS為預(yù)鍛下模V形底座臺階外邊沿的半徑，r2TS為預(yù)鍛下模內(nèi)腔對應(yīng)β TS角度斜坡的最大半徑，r3TS為9個預(yù)鍛下模齒部的最大半徑，r4TS為9個預(yù)鍛下模齒部的最小半徑，Cl1 TS為預(yù)鍛下模V形底座的最小直徑，d2TS為預(yù)鍛下模凸臺的最大直徑，β TS為預(yù)鍛下模V形底座臺階處斜坡的斜度，γ TS為預(yù)鍛下模凸臺的錐度，δ TS為預(yù)鍛下模V型底座外壁的錐度，bTS為相鄰兩預(yù)鍛下模齒部間的距離，Rts為9個預(yù)鍛下模齒部拐角處圓角半徑，α TS為相鄰兩預(yù)鍛下模齒部中心偏角的1/2, 為加工零件的高度，％為加工零件齒部到側(cè)端面的長度，為預(yù)鍛上模凸臺高度，為預(yù)制坯連皮厚度，t為預(yù)制坯飛邊厚度， b為加工零件齒部寬度，R為加工零件齒部內(nèi)凹部分拐角處圓角半徑，α為加工零件相鄰兩齒部中心偏角的1/2，β為加工零件齒部側(cè)面斜坡的錐度，d4為加工零件臺階的直徑，(13為加工零件內(nèi)孔直徑，巧為加工零件齒部內(nèi)凹部分的最大半徑，r2為加工零件齒部側(cè)面β錐度斜坡的最大半徑，r3為加工零件齒部內(nèi)凹部分的最小半徑，r4為加工零件齒部的最大半徑，k為加工零件的單邊加工余量；角度單位為度，長度單位均為毫米。
8.按照權(quán)利要求4所述的高速列車制動盤盤轂鍛造模具，其特征在于，終鍛上模的尺寸滿足的公式為1上模=di上模； d' 2上模上模+e; h' ι上模=h上模；h' 2上模=h2上模；κ ι —— κO 上?！狾上模； α ‘上模=α上模； Γ' 1上模=rI上模； r' 2上模=3^2上模； Γ' 3上模=:Γ3上模；上模=b上模； R,上模=R上模；其中，d' 1±ts為終鍛上模V形底座內(nèi)腔的最小直徑，d' 為終鍛上模通孔的直徑， h' 模為終鍛上模V形底座內(nèi)腔的高度，h' 2上模為終鍛上模V形底座臺階高度，δ ‘上模為終鍛上模V形底座內(nèi)腔錐度，α' ± 為兩相鄰終鍛上模齒部偏角的1/2，r' 為終鍛上模齒部的最大半徑，r' 為終鍛上模V形底座臺階外邊沿的半徑，r' 為終鍛上模齒部的最小半徑，b' 為相鄰兩終鍛上模齒部間的距離，R' ± 為9個終鍛上模齒部拐角處圓角半徑，h1±s為預(yù)鍛上模內(nèi)腔深度，h2±s為預(yù)鍛上模凸臺高度，為9個預(yù)鍛上模齒部的最大半徑，r2±s為預(yù)鍛上模V形底座臺階外邊沿的半徑，r3±s9個為預(yù)鍛上模齒部的最小半徑，δ .為預(yù)鍛上模V型底座內(nèi)腔錐度，為相鄰兩預(yù)鍛上模齒部間的距離，為 9個預(yù)鍛上模齒部拐角處圓角半徑，α 為相鄰兩預(yù)鍛上模齒部中心夾角的1/2，e為沖壓沖頭與終鍛上模之間的間隙；角度單位為度，長度單位均為毫米。
9.按照權(quán)利要求1所述的高速列車制動盤盤轂鍛造模具，其特征在于，擠壓沖頭的尺寸滿足的公式為hi沖=h2上模；112沖=(1. 5 2. Oh1 ； Y ‘ = Y ；d沖=d2上模；其中，為擠壓沖頭圓錐部分高度，為擠壓沖頭高度，r為擠壓沖頭的圓錐角度，為擠壓沖頭圓柱部分直徑，h2±s為預(yù)鍛上模凸臺高度，ai為加工零件的高度，Y為預(yù)制坯內(nèi)腔的錐度；角度單位為度，長度單位均為毫米。
專利摘要本實用新型屬于鍛造領(lǐng)域，具體地說就是一種高速列車制動盤盤轂鍛造模具，包括預(yù)鍛上模、預(yù)鍛下模、終鍛上模、終鍛下模和擠壓沖頭；其中預(yù)鍛上模和預(yù)鍛下模閉合后形成封閉腔體；終端上模和終鍛下模閉合后形成中間為通孔的腔體；用于擠壓預(yù)制坯的沖頭前部為錐形結(jié)構(gòu)，后部為圓柱形結(jié)構(gòu)，前部與后部間為圓角過渡，在使用時，擠壓沖頭可穿過終端上模通孔擠壓預(yù)制坯，采用本實用新型的模具，可生產(chǎn)出符合鐵科院機車車輛研究所標準的制動盤盤轂鍛件；采用本實用新型設(shè)計的模具對預(yù)成形毛坯進行鍛造，得到的制動盤盤轂成形質(zhì)量良好，外形對稱，流線均勻，加工余量均勻，制造高速列車制動盤盤轂?zāi)軌蚬?jié)約原材料、縮短生產(chǎn)周期、減少加工余量、提高尺寸精度。
文檔編號B21J13/02GK202114201SQ20112019238
公開日2012年1月18日 申請日期2011年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月9日
發(fā)明者孫明月, 張龍, 李殿中 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所