V法铸造在轨道交通制动盘生产上的应用

V法铸造在轨道交通制动盘生产上的应用

郭宝刚，于钦顺，安朝阳，钱坤才，文景宝

(中车青岛四方车辆研究所有限公司 山东 青岛 266031)

摘  要：本文简述了V法铸造工艺的原理，V法铸造与传统树脂砂铸造工艺对比及现阶段轨道交通制动盘生产上的问题；详细介绍了V法铸造在制动盘生产中的应用及进一步应用的探讨。

关键词：绿色铸造；V法铸造；轨道交通；制动盘；应用

1背景

近年来轨道交通行业快速发展，“高铁”已经成为代表我国工业和技术能力的高端名片，制动盘作为轨道交通装备核心部件，其生产要适应绿色环保这一基本国策，实现绿色铸造。

V法铸造，是近年来国家推广的绿色铸造方法之一，在轨道交通装备领域也已经有一些成功的应用，如货车摇枕侧架、机车电机吊杆等。

2 V法铸造的铸造特点及制动盘生产现状

2.1V法铸造原理

V法铸造，即真空密封造型，英文Vacuum process casting。是利用塑料薄膜密封砂箱，抽出内部空气，使干砂紧实，以形成所需型腔。铸件凝固后，解除负压，清除型砂。

在V法铸造浇注过程中，金属液充型，接触金属液的薄膜裂解气化蒸发及熔融，真空作用下渗入砂中，在金属液周围形成一壳状痂皮，金属自身和涂层立即担负密封，金属液在壳状痂皮中流动；靠近金属液的薄膜则熔化渗入涂层表面，与涂层共同继续维持密封，远距金属液的薄膜则仍维持原状或熔融；腔内气体逃逸容纳金属液充填铸型，腔内气体和燃烧产物通过透气孔排出。型腔表面薄膜不断裂解气化和熔化，腔内部分气体穿过型砂被真空系统抽出，外界空气通过透气孔入型腔补充被真空系统抽出的气体损失，型腔与砂型内压差继续保持，铸型继续维持。浇注初期的强烈排气过程后，随即伴随一个缓慢吸气过程，并继续排出气体，直到浇注完毕、透气孔充满、气体排尽。

2.2 V法铸造与传统树脂砂铸造的工艺特点对比

2.2.1 利于环保

传统树脂砂工艺，影响环境的最大因素是树脂含有大量的刺激性气体，对人体有害，严重危害环境。而V法铸造无粘接剂，不使用树脂，旧砂不用再生处理，减少了排放，在这方面也就不会对环境产生危害。

2.2.2提高产品质量

传统的树脂砂铸造，在铸件凝固过程中的强度无法调整，因此砂型对铸件的收缩应力以及冷却速度在凝固过程中无法调整。为解决上述问题，对砂型的强度控制，特别是铸造原辅材料的质量及添加数量要求就相应较高，表面及内部质量不易控制。

V法铸造最大的特点是，在整个浇注过程中，整个型腔保持负压，不易产生紊流、涡流，有利于充型，铸型硬度高、冷却慢、利用补缩，这些都能更好地控制铸件内部缩松、缩孔、气孔、表面裂纹等缺陷，也利于尺寸控制。铸型硬度高，结合合理使用涂料，易于拔模，使工件表面光洁、轮廓清晰、尺寸准确。

2.2.3降低成本

V法铸造因无粘接剂，省去树脂等工艺辅料（近几年因环保原因，树脂等工艺辅料也大幅度涨价）及混砂设备，工件清理容易，旧砂可直接回收使用，省去了旧砂再生处理环节，减少了排放和工人劳动强度，又节约了人工成本。造型时型砂与模具之间有薄膜隔离，对模具没有磨耗，延长了模具的使用寿命。另外还可以减小冒口尺寸和加工余量，大大提高了钢（铁）水的利用率。

2.2.4缺点

V法铸造造型从始至终需抽出真空，实现制动化连续造型有一定的难度，这一点是与树脂砂铸造有一定差距。本文在后面3.8 V法铸造进一步应用的探讨章节中将详细了论述。

2.3现阶段制动盘生产上的问题

制动盘目前材质主要有铸铁和铸钢两种。从安装型式又分为轮装制动盘（图1）和轴装制动盘（图2）。

随着轨道交通运行速度的不断提高，对制动盘的质量要求越来越严，不论是铸铁盘还是铸钢盘，都要求较高的材料性能及材质均匀性，同时对内部缺陷和表面缺陷也有较严格的控制。我国高铁发展初期，制动盘铸造毛坯全部采用国外进口，近年来经行业专家的不懈努力已逐步国产化。

2.3.1主要质量问题

为提高制动盘的性能及热负荷，不论是铸铁盘还是铸钢盘，在材料成分中都加入大量的合金元素。由于这些合金的作用，在铸造过程中的凝固、冷却以及热处理过程中，对表面及内部缺陷比较敏感，易产生表面裂纹、缩松或缩孔。上述树脂砂工艺特点对这些缺陷不易控制。

我司前期生产制动盘常出现的质量问题主要就是表面裂纹、内部缩松或缩孔等缺陷。

2.3.2铸造生产环保问题

我司制动盘生产采用传统的树脂砂铸造工艺，虽然也采取了一些环保措施，但仍然不能满足国家及地方政府不断提升的环保要求，常因环保原因停产，环保问题已影响制动盘的正常生产。

综上所述，V法铸造有利于解决制动盘生产中存在的问题。

3V法铸造在制动盘生产上的应用

从制动盘结构特点分析，V法铸造更容易在轮装制动盘上实现，我司先从铸铁轮装制动盘着手，开始了V法铸造的研制。

3.1工艺方案

工艺流程：模型准备 → 覆膜及加热成型 →喷涂料及干燥 →加砂振实 →覆背膜 →起模合箱 →浇注 →脱箱落砂。

利用现有生产场地，熔炼浇注设施，重新设计购置V法造型系统。其中模具、面膜、型砂、涂料的设计及选型是铸铁轮装制动盘V法铸造的关键。

3.2模具设计

3.2.1模型设计

V法所用的模具结构与普通砂型不同，模具装在中空的模板上，模板底部配有抽气箱。在模具和模底板上应开设一定数量的通气孔与抽气箱相通。抽真空时塑料薄膜吸附在模具和模底板的表面上。通气孔直径一般在0.2-2mm，直径过大会将塑料薄膜吸进孔内，过小覆膜效果不好；孔距一般为10-50mm，但在模样凹处、转角处和成型欠佳处要相应增加通气孔的数量，以利于覆膜。针对制动盘形状和散热筋的高度相对较高的特点，通气孔主要设置在散热筋根部及底面，根部因面积较小，采用小孔径φ0.5mm大密度方式，底部孔径略大φ1.5mm，同时为了更好的保证根部覆膜的密贴，减小了拔模斜度以增加根部倒角。

3.2.2浇注系统设计

浇注系统是控制浇注速度的枢纽，主要由直浇道、横浇道和内浇道组成，考虑制动盘圆周对称结构，横浇道采用环形浇道，为快速充型，设置了4个内浇道，后调整至6个内浇道，为保证铁水平稳，快速充型，同时考虑铸铁石墨化膨胀的二次收缩，浇道截面面积比例为S内：S横：S直＝1：1.5：1，便于控制浇注速度。

3.2.3砂箱设计

砂箱的结构与普通砂箱不同，四壁封闭，内部装设抽气装置，具有形成真空的功能。考虑生产布局及今后自动化生产，采用砂箱侧面抽气方式。

模具示意如图3。

3.3面膜的选择

国内常用的面膜有乙烯醋酸乙烯共聚物（EVA）、聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）等，考虑制动盘散热筋的高度相对较高的特点，选用断裂伸长性和热成型性能较好的EVA塑料，薄膜厚度为0.08mm。

3.4型砂及涂料的选择

为了利于微震紧实，更好填充，考虑砂子粒形和粒度组成对铸型抗压强度、填充密度、硬度、热传导率、透气性、复用性及防渗性的影响，选用40-70目硅砂，涂料选用要考虑涂料附着性、涂挂性、流平性、不流淌性之工艺性能，以及耐磨性、发气性、抗裂性、抗粘砂性，蠕墨铸铁还要考虑低硫，故选择了醇基石墨粉快干涂料。

3.5工艺实施

我司于2019年2月开始试制铸铁轮装制动盘。自制真空抽气系统，手工造型，真空管道的真空度40-50 kPa，真空保持时间10-15min；面膜选用武汉恒德科技有限公司EVA膜，厚度为0．08 mm ，背膜选用普通的聚乙烯薄膜，覆膜加热设备自制；涂料选用桓台东源化工厂生产的醇基石墨粉快干涂料，涂料烘干采用热风烘干，型砂选用40-70目硅砂，浇注工艺在原树脂砂浇注工艺基础上略微调整，浇注温度1380-1430℃。生产现场见图4。

2019年7月完成工艺验证。成品率为92%以上，现已批量生产，并通过当地环保部门环评认证。

3.6问题解决及注意事项

3.6.1 散热筋的高度相对较高，不利于覆膜，会导致覆膜密贴不好，是试制过程中的最大难点，试制初期因该问题导致制动盘散热筋根部裂纹，见图5。通过提高真空压力，浇注初期控制在50 kPa、增加散热筋周边真空管数量、提高EVA面膜的断裂伸长率和热成型性能，问题得到解决。

3.6.2 V法铸造不同于树脂砂铸造，其造型和浇注过程需持续保持型腔负压。一旦发生覆膜破损，漏气部位容易产生铸件严重氧化缺陷，真空抽吸会加重氧化程度，这种缺陷大多发生在铸件的尖角部位及分型面。再有分型面、浇冒口与型腔的结合极容易出现泄漏，需重点密封，同时还要注意砂箱外缘和薄膜之间密封良好以及浇冒口系统与型腔连接处的密封质量，否则外部的空气将被吸入铸型当中。

3.6.3 V法铸造用砂为干砂，不添加粘接剂，其干砂和铁水之间的隔离层为涂料层，严防干砂漏入型腔。严格控制涂料质量、涂料涂刷质量和涂层厚度，对容易产生粘砂的地方，涂料略厚，其他地方，尽量少用涂料。

3.6.4 浇注过程中要尽力保护 EVA 膜，金属液充型时要快速平稳，浇注系统需考虑金属流不产生紊流、涡流等。

3.6.5 涂料烘干热风温度应控制在 50℃以下，避免损伤覆膜，均匀加热，流动热风可以吹到型腔内的任何角落，以保证烘干质量。否则会产生表面粘砂、气孔、金属浸渗、脉纹、塌箱、掉砂、夹砂等缺陷。

3.6.6合理控制真空度，如金属砂箱真空度偏低或不均匀，易出现砂型充填密度和硬度降低。铁水充型过程中，铁水的充型压力易使砂型真空度和抽气量偏低的部位出现胀型。再有，真空压力小，薄膜容易从砂型上大片被分离，并被熔融金属燃烧，留下碳灰时就会产生薄膜残渣缺陷；真空压力过大则会发生金属浸渗等缺陷。

3.7应用现状

3.7.1 因V法工艺负压浇注、铸型硬度高、拔模容易、铁水流动性好等特点，减少了表面缺陷和内部缺陷，产品的合格率由原来的50%提高到92%以上。

3.7.2 产品质量有较大提升，表面粗糙度提高至Ra6.3，铸件尺寸公差提高至CT8-9级。

3.7.3取消了树脂等工艺辅料，型砂在不考虑自然消耗的情况下可以100%回收利用；省去了型砂再生处理环节，减少排放，工件清理容易，取消混砂工序，降低了劳动强度，减少人工成本30%；减小冒口尺寸和加工余量，提高铁水利用率15%，直接降低了生产成本。

综上所述， V法工艺不但实现了绿色铸造，同时还提高了产品质量，降低了成本，解决了制动盘生产存在的问题。

3.8 V法铸造进一步应用的探讨

铸钢轮装制动盘与铸铁轮装制动盘，形状一致或相似，只是材料不同，考虑铸钢与铸铁的差异，将模具、浇注系统及浇注工艺等进行适应性调整，即可实现铸钢轮装制动盘V法铸造，但轴装制动盘外形结构完全不同，再有V法铸造实现自动化生产难度相对较大，这两方面难题我司将做进一步的研究探讨。

轴装制动盘因为中间有散热筋，所以，散热筋板需要采用芯子形成。

砂芯采用冷芯盒工艺制作，这是高效生产复杂内腔铸件的最佳解决方案。冷芯盒需采用无机粘结剂工艺以满足环保要求。砂芯产生气体，需要有砂芯排气系统，一般将排气管放在芯头上，砂芯要有排气道，与排气管相通，排气管与 EVA 薄膜进行粘封。

轮装制动盘形状虽然适合模具直接形成，但考虑今后自动化生产线，尽可能与轴装制动盘工艺相似，便于组织生产。利用结构对称的特点，将2个轮装制动盘相对并由筋板全部或部分地相连形成一个新的类似轴装制动盘的结构来进行铸造生产，见图6所示。然后在后续合适的工序再将它们分离，形成2个单独的轮装制动盘盘体铸件。这样，像轴装制动盘一样，2个轮装制动盘中间的筋板可以由一个芯子形成。采用这种方法，不但提高了轮装制动盘的生产效率，降低了生产成本，也利用新的结构相互抵消了变形应力，较好地解决了轮装制动盘的变形问题。

在这种情形下，就能容易地将轴装制动盘的生产方式和轮装制动盘的生产方式有机地整合在一起，采用V法生产铸型形成外模，采用芯子形成内腔的工艺方式，在同一条生产线上既可以生产轴装制动盘，也可以生产轮装制动盘。

铸造制动盘是一种典型的中小铸件。由于传统V法自身特点，即从始至终需抽真空，因抽真空离不开负压管，从而使砂箱的运动范围受制约，造型效率不高，如上自动化生产线生产首先要解决自动插拔负压管难题，实现连续负压输送。目前方案是加装滑块机构，滑块上设置有第二接口以与砂箱上的第一接口相连接，滑块经配置以与所述砂箱做同步运动；滑块与滑槽接触并能在所述滑槽中进行气密性滑动，滑槽上设置有一个以上抽气孔以向所述滑块提供负压，使砂型输送的过程中不需要停顿，实现连续自动化生产，提高效率。

4结论

综上，采用V法铸造生产制动盘，是一种绿色环保、提高质量、降低成本的新型生产方式，在铸铁轮装制动盘生产中取得了成功应用，今后将在轴装制动盘及自动化生产方面进一步研究，实现制动盘全型号自动化生产，进而推动绿色铸造在轨道交通领域广泛应用。

参考文献

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[4]王治国. V法铸造用连续负压输送系统[P]. 山西：CN205519484U,2016.

[5]安朝阳,陈军,肖征,唐丽萍,张军,王剑钢.高速列车轮装制动盘的创新生产方法[J].机车车辆工艺,2019(04):P11-12.

作者：

[1]郭宝刚.中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东 青岛 266031，1965年07月09日，男，高级工程师，大学本科.

[2]于钦顺.中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东 青岛 266031，教授级高工.

[3]安朝阳.中设集团装备制造有限责任公司，北京 西城区 100055, 高级工程师.

[4]钱坤才.中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司,江苏 常州 213011，教授级高工.

[5]文景宝.山东智汇蠕墨新材料科技股份公司，山东 淄博 256401，教授级高工.