汽车制动板的锻造工艺与模具

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【摘要】由于设备条件限制，采用750kg空气锤自由锻精确制坯、1000t摩擦压力机模锻、300t摩擦压力机热切边、100t油压机热冲孔、冷校正等组成生产线；在模具的设计和制坯锻造上，采用一些技巧，低成本开发、生产重型汽车制动板大型复杂模锻件的锻造生产工艺方法。

汽车制动板是重型汽车的车轴配套关键零件，广东一家汽车车轴生产厂因车轴产品出口中东而需大量汽车制动板。为满足该食业低价位的配套要求，我们挖掘了，现有锻造设备的潜力，组成了生产线，低成本生产了车制动板模锻件，缓解了厂家的燃眉之急。

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汽车制动板的材料为20Mn,形状复杂，设计要求批量模锻生产，切削加工余量小、强度高。其锻件形状、尺寸见图l。图1中除2个Φ60mm、Φ144mm、Φ70mm内孔及平面需切削加工外，其他都是黑皮表商锻件，不再进行切削加工。

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1．汽车制动板模锻件结构特点

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其结构特点为：①殿件形状复杂，有三个分模平面斜面，零件尺寸大。②锻件在分模面的投影面积大(约650cm²)。③锻件薄(锻件厚度9～56.5mm)。④锻件内孔大(内孔Φ144mm)。⑤压凹多，凸台筋板多(筋板宽度8mm)。⑥锻件余量小，单边加工余量2～2.5mm。
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2．汽车制动板模锻件工艺分析

(1)确定汽车制动板模锻件投影面积及周长  锻件在水平面上的投影面积，按其几何形状计算得到

F=40 403mm²

锻件周边长度可以通过直接测量锻件平面投影的周长得到：X=1193mm。
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(2)设备吨位的理论计算按经验公式进行核算：
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P=(17.5～28)KF_总
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式中　　P——摩擦压力机的公称压力，KN;

K——钢种系数，对20Mn材料，取K=l.1；

F_总——锻件的总变形面积(约650cm²)。

因此，P=20×1.1×650kN=14 300kN。

模锻设备通常选用与计算数值接近而又稍微偏大的锻压设备。由此可见，重型汽车制动板若使用10 000kN摩擦压力机，设备吨位偏小，需要采取应对措施，小锤干大活，生产制动板模锻件。
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(3)确定汽车制动板模锻件毛边槽尺寸  毛边槽的形状及尺寸对锻件的成形影响很大。锤上模锻时，金属流动过程大概分为四个阶段。第一阶段，坯料高度减小，径向尺寸逐渐增大，具有镦粗变形和局部压入变形特征。第二阶段，金属流动受到模壁的阻碍，有助于金属流向型槽高度方向，同时开始流入毛边槽，出现少许毛边，此时变形力明显增大。第三阶段，为充满型槽的过程，在变形金属内部形成更为强烈的三向压应力的状态，型槽内各处逐渐得到充满，毛边厚度越来越薄，宽度增加，温度下降，变形抗力明显上升。第四阶段，为锻足打靠的最后阶段，打击能量将达到整个锻件成形全过程所消耗能量的30％～50％；造成足够大的水平面方向的阻力，促使型槽充满，容纳多余金属，缓冲锤击。
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毛边槽宽度尺寸按复杂程度高的锻件选用，毛边槽桥部高毛边槽桥部b=14mm，毛边槽型槽宽b₁=38mm，毛边槽断面积S_k=278mm²，毛边槽型槽高h₁=5mm，入口处半径R=2mm。毛边槽形状及尺寸见图2。

(4)绘制计算毛坯的截面图和直径图  从制动板锻件上，选取18个典型断面，经计算、测绘得出如附表所示的截面数据。为了绘制毛坯的截面图，把锻件各断面总面积换算成高度，进而计算出截面直径。

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制动板锻件的截面图、直径图如图3所示。

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根据附表可得，制动板锻件的平均截面积为3170mm²，平均直径为64mm，最大计算直径为85mm。

3．汽车制动板模锻件工艺

(1)下料  经过上述测绘计算确定开料重量为12kg，结合材料市场实际情况，采用120mm方钢锻造，下料尺寸120mm×106mm。采用100t油压机冷剪切下料，调整上下剪刀片的间隙，使剪切断口整齐正常，过磅抽查确保坯料重量不小于要求重量，磨顺部分断口缺陷坯料，确保开料质量。

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(2)加热  采用燃油加热炉加热到1200～1250℃．分段加热，控制好加热速度，保证加热质量。两火锻造，第一火加热原材料，进行制坯锻造；第二火对坯料进行加热，均热保温热透，入模锻造，因锻件大，锤击力略显不足，目测控制取加热温度上限，最大限度地提高塑性，降低变形抗力。

(3)制坯  制坯在750kg空气锤上自由锻制坯。工步复杂，且此工序极为关键，要求分料准确，制坯胎模模具设计精确，不能墨守成规。经过反复探索，确定两套成形胎模和一套冲孔胎模锻造、冲孔，两套成形胎模形状见图4、图5。

(4)模锻  在1000t摩擦压力机上模锻。

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螺旋摩擦压力机是单模腔封闭力系锻造，导向性能好，打击速度慢。锻好的坯料直接从加热炉中取出，简单清除氧化皮后，人模锻造，制动板的锻造打击三次；用红铁充分预热成锻模、凹模至200℃。锻造过程中，采用重油石墨润滑，以减小摩擦，降低变形抗力，且有助于金属流动成形，方便锻件出模，并冷却成形锻模，使型槽表面温度≤450℃。

(5)切边、冲孔  在300t摩擦压力机上热切边、100t油压机上冲孔。在1000t摩擦压力机上成形模锻后，立即在300t摩擦压力机上进行热切边，做好限位，使凸模进入凹模10～20mm。切边后的锻件坯料立即送入下一个工位，进行简单冲孔，切除内孔连皮。

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(6)正火  在100t油压机上冷校正，抛丸清理氧化皮,磨除毛刺。涂底漆。

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为了消除制动板锻件的残余应力，改善其组织和力学、切削加工性能，需要对锻件进行正火处理。由于制动板锻件具有复杂、薄、落差大的特点，在后续工序中，发生了弯曲、扭转等变形，所以必须对锻件进行冷校正，使锻件符合图样图求，并磨除部分锻件的毛刺，消除表面缺陷，滚筒抛丸清除氧化皮，提高表面质量，涂防锈底漆以使制动板锻件加工后可直接安装于车轴上。

4．汽车制动板模锻模具结构设计

(1)成形模　锻模传递动力，迫使金属毛坯成形，承受反复瞬时冲击载荷和冷热交变作用，工作条件繁重，产生应力大。制动板锻件有三个分模面及斜面，模锻过程中易产生水平分力，引起锻模错移，使用对角锁扣来平衡水平错移力。按l％的冷缩率设计模具，采用螺栓、压板紧固。模具采用5CrMnMo材料制造，模具热处理淬火硬度42～46HRC。鉴于制动板零件的低价战略，模具制造时，最大限度地采用车、铣、钻、刨和磨这些低成本普通机加工方法和钳工修磨方法，极少部分采用了电火花加工方法。同时制造两套模具，便于维修更换，不影响生产。模具维修也采用氩弧填焊的方法，做好细节降低成本。成形模形状尺寸见图6、图7。

(2)冲孔模  采用冲子冲除锻件孔内连皮。冲孔凹模起支撑锻件的作用，冲子刃口部分的尺寸按冲孔尺寸确定。

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(3)切边模  切边模刃口尺寸按成形模型尺寸单边间隙1mm设计，凸凹模间隙取单边间隙2.5mm；边模平而勺成形下模一致，采用螺栓压板紧周；切边模凹模用Cr12MoV材料制作，模具热处婵淬火硬度42～46HRC；切边凸模起传递压力的作用，采用5CrMnMo材料，模具热处删淬火硬度42～46HRC。

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5．结语

重型汽车制动板的锻造，虽然繁杂、工步多，但通过集思广益，我们充分利用现有的生产条件，大批量锻造生产了重型汽车制动板，满足了重型汽车车轴零部件出口的市场低价位配套的要求，提升了企业的模锻竞争力，开拓了经营市场，为企业赢得了声誉和经济效益。【MechNet】

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