一种铝基粉末冶金复合材料轨道交通制动盘模具的制作方法

本发明属于轨道交通制动盘制备技术领域，具体是一种铝基粉末冶金复合材料轨道交通制动盘模具。

背景技术：

节能降耗对保护环境有非常重要的意义，在轨道交通领域，传统制动盘采用的铸铁、铸钢等铁质金属材料密度大且易出现热龟裂等缺陷。因此采用高性能轻金属材料制备制动盘，可减轻车身重量，改善动力性能，同时降低能耗，起到节能减排的效果。但目前国内的轻量化制动盘完全被国外垄断，对我国长远发展非常不利。因此，制备轻量化轨道交通制动盘已迫在眉睫。

铝基复合材料具有密度小、热稳定性好等一系列优势，尤其以陶瓷颗粒作为增强体时，可大大提高强度，有望成为新一代轨道交通制动盘的材料。德国、日本等已开展了铝基复合材料制动盘的研究，但其使用的铸造法难以避免气孔、缺陷等问题，且复合材料中陶瓷颗粒含量难以突破20％的上限，因此耐磨性能难以大幅提高，无法满足更高速列车的制动要求。

使用粉末冶金法(即混粉-冷压-烧结)可提高陶瓷颗粒含量，达到制动盘使用要求，但其通常用以制备小尺寸产品，在制备制动盘这样尺寸较大的产品时会出现均一性较差及裂纹、断裂等缺陷。且后期机加出复杂的散热筋形状也会导致生产成本大幅度增加。因此加入一道近净成型热压工艺，有望增加材料致密性，减少裂纹，同时直接成形散热筋形状，降低成本。但铝基复合材料烧结后疏松多孔，且散热筋成型难度很大，因此如何在热压工艺中对模具进行设计和工艺参数改进，从而制备得到无缺陷、均一性好、成型完整、接近净尺寸的铝基复合材料轨道交通制动盘成型体，是现在亟待解决的问题。

中国专利(申请号：cn201310692416.x)公开了一种高速列车制动盘的生产方法及锻造模具，具体公开了将23crnimov圆钢通过镦粗、碾压、锻造、车加工制备成列车制动盘的方法及锻造模具的设计。但该锻造模具及参数不适用于疏松多孔的铝基复合材料烧结坯体，散热筋顶端会有缺失。

中国专利(申请号：cn201710861063.x)公开了一种铝基复合材料制动盘的制备方法，具体公开了以纯铝为基体，bn粉末、mos2粉末及镀钛金刚石微粉为增强体，通过球磨、压制预成型、热压烧结获得制动盘的方法。该方法的热压仅是压制成表面水平的坯体，后续机加成本很高。且其模具也不适用于压制散热筋形状，而且压制温度高，不利于节能。

技术实现要素：

本发明针对铝基复合材料制动盘在轨道交通装备轻量化中的应用趋势和现有铝基复合材料制动盘制备技术中存在的问题，提供一种冷压和烧结后坯体均一性好、内部无缺陷、机加工量少、成本低的铝基粉末冶金复合材料轨道交通制动盘模具。

本发明包括以下几种实施方案：

一种铝基粉末冶金复合材料轨道交通制动盘模具，包括与压机上压头连接的上模和脱模柱以及与压机下压头连接的下模，所述上模内的上膜腔和下模内的下模腔构成封闭的型腔，所述上膜腔包括根据制动盘设计要求布设的多个散热筋型腔，所述散热筋型腔在对应散热筋顶部四周的位置上设有便于脱模的散热筋拔模角，所述上模上在每个散热筋型腔对应的位置设有与散热筋型腔连通的排气孔，所述上模上设有多个与上膜腔连通的脱模孔，所述脱模孔内安装有长度大于脱模孔深度的脱模柱，在脱模状态时，所述脱模柱与上模反向动作，使得脱模柱压入脱模孔内顶压成型后的制动盘。

采用上述方式在实施时，首先保持阴模固定，压机上压头卸压，下压头加压，带动下模、模腔内的制动盘、上模、上模压板及上压头一起以1～3mm/s的速率上升，至样品离开阴模25-30mm停止，该过程中芯柱随样品一同上移。其后下压头带动下模以3～5mm/s的速率下移20-30mm，因制动盘散热筋处摩擦力较大，制动盘会留在上模模腔中，下模与样品脱离。上压头内打料油缸带动六个脱模柱共同往下顶出5mm，通过散热筋拔模角和脱模柱的共同作用，从而将铝基粉末冶金复合材料轨道交通制动盘成型体从模具内完整的脱离，经测量，本模具压制的成型体与图纸规定成品尺寸差值大小在0.8％范围内。因此需要后续机加工的量极少，可减少机加成本达80～90％，加工时长也大大提高，极大地提高了制动盘的生产效率。

本实施方式中，所述散热筋型腔以上模中心轴为中心分为多组，每组所述散热筋型腔组中所述散热筋型腔的排列方式相同，每组所述散热筋型腔的两端设有散热筋端部凸起型腔，每组所述散热筋型腔组中至少三根所述散热筋型腔的中部设有散热筋中部凸起型腔，所述散热筋端部凸起型腔和散热筋中部凸起型腔设置在同一与制动盘轴线垂直的平面上，所述散热筋端部凸起型腔使得成型后的散热筋两端沿径向向外凸起，所述散热筋中部凸起型腔使得成型后的散热筋中部沿径向向外凸起。

本实施方式中，所述散热筋型腔在每个散热筋端部凸起型腔的位置设有一个排气孔，所述排气孔为φ1～4mm，优选为2mm。由于制动盘散热筋数量众多且散热筋型腔窄小，粉末冶金制备的铝基复合材料又疏松多孔，在热压时易因排气不良、材料流动不畅等而无法成型，通过在散热筋端部凸起型腔的排气孔，可以保证压制时顺利排出模腔中的气体，完整填充散热筋模腔，同时设计开孔直径小，材料无法流动入孔径内，不会导致孔隙堵塞。

本实施方式中，所述上模上固定有上模盖板，上模和上模盖板的分体设计是为了方便独立更换单个部件，从而节省维修成本，所述上模盖板固定在压机上压头上，所述上模盖板在上模脱模孔对应位置同轴设置有直径大于脱模孔的通孔，所述脱模柱为t型脱模柱，所述t型脱模柱的头端直径与所述通孔直径相匹配，尾端直径与脱模孔直径相匹配。所述脱模柱由单独的打料油缸控制，可独立于上模动作，从而实现在脱模状态时，所述脱模柱与上模的反向动作，使得脱模柱压入脱模孔内顶压成型后的制动盘，另外将脱模柱设计为t型脱模柱，从而方便控制脱模时脱模柱顶入上模腔内的距离，防止对产品的损伤。

本实施方式中，所述上模上设有导气槽，所述导气槽包括两个圆形的第一导气槽和多根沿径向排布的第二导气槽，两个所述第一导气槽分别将设置在散热筋端部凸起型腔上的排气孔连通，所述第二导气槽将第一导气槽与上模侧面联通。第一导气槽的作用是将所有处于同一直径范围内的排气孔连通，第二导气槽的作用是将第一导气槽从上模的侧面导通，这样防止上模盖板安装在上模上后，将排气孔堵塞。

本实施方式中，所述脱模孔对应设置在散热筋中部凸起型腔的位置，并且与散热筋中部凸起型腔连通。

本实施方式中，所述散热筋拔模角为1.5°～7°，散热筋拔模角优选为4°。

本实施方式中，所述下模中部设有芯柱，所述芯柱为活动芯柱，所述上模和下模的中部设有与芯柱对应的芯柱孔，所述芯柱从下模底部插装在所述下模的芯柱孔内，所述芯柱插装到位后，所述芯柱通过轴向限位装置限位在下模上，且所述芯柱的顶部插入上模的芯柱孔内，所述芯柱的侧壁分别与上模和下模的芯柱孔内壁滑动连接，所述芯柱由独立的下气缸控制轴向移动。采用上述结构，在脱模时，芯柱因摩擦力随制动盘成型体一同上移，阴模脱出后，芯柱由其下气缸带动以3～5mm/s的速率下移5-10mm，后由自重带动回归压机原位，与制动盘成型体分离，然后下压头带动下模以3～5mm/s的速率下移20-30mm，使得下模脱离，将下模的芯柱设计为活动式，这样实现分段脱模，减小下模在脱模过程中受到制动盘成型体的摩擦力，减小了下模脱模的难度，保证制动盘脱模的完整。

本实施方式中，所述芯柱与上模间距为0.3～1.0mm，优选为0.7mm。设置的间隙有利于材料的流动和成型。

本实施方式中，所述芯柱在上膜腔和下模腔内的部分设有3～8°外向芯柱拔模角，外向芯柱拔模角优选为4°。散热筋拔模角和芯柱拔模角的设计一方面减小摩擦力，便于脱模，同时避免脱模时对产品有损伤，另一方面可以减少压制时的成型压力，使其在较小的压力下即可成型。

本模具可压制出散热筋形状及外形完整的轨道交通制动盘成型体。经测量，本模具压制的成型体与图纸规定成品尺寸差值大小在0.8％范围内。因此需要后续机加工的量极少，可减少机加成本达80～90％，加工时长也大大提高，极大地提高了制动盘的生产效率。

综上所述，本模具制作制动盘操作简便、成本低、成品率高，对设备要求低，且可应用于各种形状的轨道交通制动盘的制备，可进行工业化大批量连续生产。

附图说明

图1为本模具的纵向剖面图。

图2为本模具上模的仰视图。

图3为本模具上模的俯视图。

图4为图3a处的放大图。

图5为图2e-e处的剖视图。

图中：1-阴模；2-上模；21-散热筋型腔；22-散热筋端部凸起型腔；23-散热筋中部凸起型腔；24-脱模孔；25-排气孔；26-导气槽；3-上模盖板；4-脱模柱；6-芯柱；7-下模。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图及实施实例，对发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此，本发明的保护范围也涉及本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

实施例1：

参见图1～图5，一种铝基粉末冶金复合材料轨道交通制动盘模具，包括阴模1、上模2、上模盖板3、脱模柱4和下模7，其中上模2和下模7设置在阴模1内，上模盖板3通过螺栓固定在压机上压头上，并通过紧固件与下方上模2相连，下模7与压机下压头通过螺栓相连。

所述上膜腔包括根据制动盘设计要求布设的多个散热筋型腔21，所述散热筋型腔21以上模中心轴为中心分为多组，每组所述散热筋型腔组中散热筋型腔的排列方式相同，每组散热筋型腔21的两端设有散热筋端部凸起型腔22，每组所述散热筋型腔组中至少三根所述散热筋型腔的中部设有散热筋中部凸起型腔23，所述散热筋端部凸起型腔22和散热筋中部凸起型腔23设置在同一与制动盘轴线垂直的平面上，所述散热筋端部凸起型腔22使得成型后的散热筋两端沿径向向外凸起，所述散热筋中部凸起型腔23使得成型后的散热筋中部沿径向向外凸起，所述散热筋型腔在每个散热筋端部凸起型腔的位置设有一个排气孔25，所述上模上设有导气槽26，所述导气槽26包括两个圆形的第一导气槽和多根沿径向排布的第二导气槽，两个所述第一导气槽分别将设置在散热筋端部凸起型腔上的排气孔连通，所述第二导气槽将第一导气槽与上模侧面联通。

所述散热筋型腔在对应散热筋顶部四周的位置上设有便于脱模的散热筋拔模角，本实施例中，所述散热筋拔模角为4°。

所述上模2上设有多个与上膜腔连通的脱模孔24，所述脱模孔24对应设置在散热筋中部凸起型腔23的位置，并且与散热筋中部凸起型腔23连通。

所述上模2上固定有上模盖板3，所述上模盖板3在上模脱模孔对应位置同轴设置有直径大于脱模孔的通孔，所述脱模柱4为t型脱模柱，所述t型脱模柱的头端直径与所述通孔直径相匹配，尾端直径与脱模孔直径相匹配，所述脱模柱4由独立的打料油缸控制轴向移动，在脱模状态时，所述脱模柱与上模反向动作，使得脱模柱压入脱模孔内顶压成型后的制动盘。

实施例2：

参见图1-图5，本实施例与实施例1不同之处在于，本实施例中上模2和下模7的中部在与制动盘轴孔位置对应处设有芯柱孔，所述芯柱孔内安装有芯柱6，所述芯柱6从下模底部插装在所述芯柱孔内，所述芯柱6插装进入下模腔内后，所述芯柱6的底部通过轴向限位装置限位在下模7上，所述芯柱6的顶部插装在上模2的芯柱孔内，所述芯柱6的侧壁分别与上模2和下模7的芯柱孔内壁滑动连接，所述芯柱6由独立的下气缸控制轴向移动，所述上模2与阴模1之间、上模2与芯柱6之间间隙为0.7mm。所述芯柱6在上膜腔和下模腔内的部分设有4°外向芯柱拔模角。

实施例2中具体脱模过程如下：

首先保持阴模1不动，压机上压头卸压，下压头加压，带动下模、模腔内的制动盘、上模、上模压板及上压头一起以1～3mm/s的速率上升，至样品离开阴模25-30mm停止，该过程中芯柱随样品一同上移。然后下模保持固定，芯柱由其下气缸带动以3～5mm/s的速率下移5-10mm，后由自重带动回归压机原位，与制动盘分离。其后下压头带动下模以3～5mm/s的速率下移20-30mm，因制动盘散热筋处摩擦力较大，制动盘会留在上模模腔中，下模与样品脱离。上压头内打料油缸带动六个脱模柱共同往下顶出5mm，通过脱模柱4将制动盘顶出，脱出上模2。该脱模方式可以最大限度保护坯体在脱模过程中不被撕扯，出现缺角或断裂等缺陷，同时脱出的产品表面平整，无需二次加工。

上述实施例仅示例性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。