ZL114A鋁合金在制動(dòng)缸設(shè)計(jì)開發(fā)中的應(yīng)用

鮑春光 韓紅文 朱君華

(中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

0 概述

近年來隨著高速動(dòng)車組的快速發(fā)展，對(duì)于動(dòng)車組尤其是轉(zhuǎn)向架空間限界、簧下質(zhì)量的輕量化要求越來越重視，針對(duì)轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動(dòng)裝置部分的小型化和輕量化研究也越來越多，如內(nèi)部帶放大機(jī)構(gòu)制動(dòng)缸、緊湊型制動(dòng)夾鉗單元的研制，鋁合金制動(dòng)盤、碳纖維盤片摩擦副，鋁合金制動(dòng)缸等產(chǎn)品的研究等。項(xiàng)目組針對(duì)制動(dòng)夾鉗單元的小型輕量化也開展了相關(guān)工作，開發(fā)了內(nèi)部帶力放大杠桿的制動(dòng)缸，力放大倍率在2.3，缸徑?200 mm的輸出力能達(dá)到傳統(tǒng)不帶內(nèi)部放大機(jī)構(gòu)制動(dòng)缸缸徑?250 mm輸出力水平，有效降低了制動(dòng)缸占用空間，但是初期制動(dòng)缸缸體缸蓋采用球鐵材料，整體重量為21 kg，與對(duì)標(biāo)產(chǎn)品目標(biāo)值17 kg還存在一定的差距，因此考慮針對(duì)制動(dòng)缸的殼體類零件缸體缸蓋等采用鋁合金材料試制來減少重量。

1 缸體缸蓋材料選型及技術(shù)要求

1.1 缸體缸蓋材料選型

制動(dòng)缸缸體二維圖如圖1所示，該制動(dòng)缸采用的活塞為圓環(huán)式結(jié)構(gòu)，活塞?95 mm內(nèi)徑與缸體?95 mm外徑配合密封，活塞?200 mm外徑與缸體?200 mm內(nèi)徑配合密封，為了滿足輕量化要求，缸體壁厚普遍較薄，最薄處為3 mm。缸體與活塞間充氣氣壓最高800 kPa，缸體?200 mm內(nèi)徑與?95 mm外徑將受到活塞密封圈摩擦作用；3 mm壁厚內(nèi)外面均要加工成形。

圖1 制動(dòng)缸缸體結(jié)構(gòu)圖

圖2 制動(dòng)缸缸蓋結(jié)構(gòu)圖

制動(dòng)缸缸蓋如圖2所示，R12 mm半圓孔處為內(nèi)部杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)，在活塞充氣800 kPa時(shí)，通過轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)傳遞到制動(dòng)缸蓋上的力為：

F=P×A×(i+1)=64 225 N。

其中：P為充氣氣壓；A為活塞面積；i為制動(dòng)缸內(nèi)部力放大倍率。

在傳統(tǒng)制動(dòng)缸上也有過采用ZL101A鋁合金的設(shè)計(jì)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，但是相較傳統(tǒng)制動(dòng)缸結(jié)構(gòu)，新制動(dòng)缸有兩大不同點(diǎn)給鋁合金選型帶來挑戰(zhàn)：

(1) 缸體需要兩道密封，中間有一段凸出的薄壁管，活塞內(nèi)側(cè)?95 mm密封與鋁合金摩擦匹配以往沒有應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，匹配特性需要研究；中間薄壁凸起，?95 mm和?200 mm表面屬于密封配合面，表面尺寸精度和粗糙度較其他部位高，給加工和表面處理帶來困難。

(2) 缸蓋內(nèi)部轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)承載大，較傳統(tǒng)制動(dòng)缸外部與杠桿鉸接承載相比要高出一倍，經(jīng)強(qiáng)度仿真校核最大應(yīng)力達(dá)120 MPa，較傳統(tǒng)缸應(yīng)力在70 MPa水平有大幅升高，且該轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)為半圓形狀無法加裝襯套保護(hù)本體材料免受磨損，因此基體材料需要選擇硬度較高的鋁合金，且表面要做硬化處理來提高其耐磨性。

針對(duì)上述特點(diǎn)選取了ZL101A、ZL114A、ZL201A這幾種鋁材進(jìn)行對(duì)比分析來確定優(yōu)選方案。

ZL101A在原傳統(tǒng)制動(dòng)缸缸體上有過應(yīng)用，缸體壁厚在7 mm以上，和密封件配合面未做硬化處理能滿足疲勞100萬次使用要求。ZL101A鋁合金耐大氣腐蝕性能良好，通常不需要表面防護(hù)處理，在承載不大的條件下，適用于砂型、金屬型、熔模殼型及石膏型工藝鑄造形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜要求氣密性的各種優(yōu)質(zhì)鑄件，最優(yōu)機(jī)械性能如表1所示。

ZL114A合金是在ZL101A合金基礎(chǔ)上增加Mg含量發(fā)展起來的Al- Si- Mg系高強(qiáng)度鑄造鋁合金，具有較高的力學(xué)性能，同時(shí)具有優(yōu)良的鑄造性能，即高流動(dòng)性、抗熱裂性良好的致密性和可焊性等，適合于鑄造要求承載能力大的重要復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)件[1]。ZL114A合金的抗蝕性高，在大氣條件下使用可不作表面防護(hù)處理，可以采用陽極氧化處理、電鍍、涂琺瑯、噴漆等進(jìn)一步提高抗腐蝕性和耐磨損性，最優(yōu)機(jī)械性能如表1所示。

ZL201A為可熱處理強(qiáng)化Al-Cu-Mn系高強(qiáng)度鑄造鋁合金，可以取代某些鍛造鋁合金(例如 2A50)等制造承力較大和受動(dòng)載荷的飛機(jī)零件，合金鑄造性能不如Al- Si 系合金，有疏松熱裂傾向，不宜制造形狀十分復(fù)雜的鑄件，主要采用砂鑄，尺寸精度、氣密性和耐蝕性低于Al- Si系合金，陽極氧化性能良好,可采用硫酸陽極氧化,并用重鉻酸鉀封孔[2],最優(yōu)機(jī)械性如表1所示。

表1 鑄件機(jī)械性能

綜合分析來看，在機(jī)械性能方面ZL114A略優(yōu)于ZL101A，但是ZL114A在適應(yīng)復(fù)雜薄壁承載結(jié)構(gòu)方面的性能明顯優(yōu)于ZL101A；ZL201A的機(jī)械性能優(yōu)勢(shì)明顯，但是在鑄造性能方面劣勢(shì)也很明顯，采用砂型鑄造尺寸精度難以滿足要求，適應(yīng)批量生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)可行性也較差?；诟左w的薄壁輕量化特點(diǎn)，高承載、高密封性要求，及與密封件配合滑動(dòng)耐摩擦性能要求，最終決定選用ZL114A鑄造加工成型。雖然傳統(tǒng)制動(dòng)缸選用的ZL101A未采取陽極氧化處理，考慮到該型制動(dòng)缸結(jié)構(gòu)和承載方面的差異性，決定進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證來最終確定是否采用陽極氧化處理。

1.2 技術(shù)要求

缸體缸蓋采用金屬型鑄造方法或金屬型鑄造并進(jìn)行變質(zhì)處理，合金熱處理狀態(tài)為T5，熱處理方法按照GB/T 1173規(guī)定執(zhí)行；鑄件尺寸精度為GB/T 6414—1999《鑄件尺寸公差與機(jī)械加工余量》CT7級(jí)；鑄鋁件進(jìn)行浸滲處理，其氣密性要求在800 kPa氣壓下不超過2 kPa/2 min；加工件成品表面進(jìn)行陽極氧化處理，與密封件配合面表面粗糙度為Ra0.8 μm。

2 樣品試制

2.1 鑄造工藝

根據(jù)鑄件尺寸精度要求、氣密性要求及滑動(dòng)配合對(duì)表面粗糙度方面的要求，采用重力金屬型鑄造成型方法，采用由復(fù)合變質(zhì)法分步精煉、變質(zhì)工藝穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)鋁液，熱處理方案為在 545 ℃固溶處理 10 h，在 160 ℃時(shí)效處理 6 h[3]。

采用上述工藝方法試制鑄件的力學(xué)性能如下：抗拉強(qiáng)度Rm為333 MPa；硬度為111 HBW；伸長(zhǎng)率A為3%。針孔度小于2級(jí)，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 陽極氧化

采用硫酸陽極氧化，并在 110 ℃高溫水蒸汽進(jìn)行封閉處理，最后進(jìn)行烘干處理，由于陽極氧化后表面粗糙度會(huì)增大，密封表面氧化前機(jī)加工粗糙度Ra一般控制在0.4 μm～0.8 μm，陽極氧化后會(huì)增大至Ra2.6 μm以上，為了保證良好的密封性，需要對(duì)缸體?95 mm外徑表面和?200 mm內(nèi)徑表面進(jìn)行滾壓拋光處理，針對(duì)該種環(huán)形活塞用缸體專門訂制了專用滾刀用于拋光處理。

采用上述工藝方法后，氧化膜厚度達(dá)17.7 μm,硬度達(dá)到330HV0.01,與活塞配合面粗糙度達(dá)到Ra0.6 μm。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

選取未陽極氧化和采用陽極氧化的缸體進(jìn)行耐疲勞性能對(duì)比試驗(yàn)研究。未陽極氧化缸體經(jīng)過10萬次疲勞試驗(yàn)后密封試驗(yàn)泄漏量超標(biāo)，拆解后發(fā)現(xiàn)缸體內(nèi)油脂已經(jīng)與磨屑混雜成大量干粉狀顆粒堆積在各處，如圖3所示。?95 mm密封圈內(nèi)圓周面唇口出現(xiàn)豎條裂口，如圖4所示，?200 mm密封圈未見明顯異常；陽極氧化后的缸體經(jīng)過100萬次動(dòng)作疲勞試驗(yàn)后表面狀態(tài)未發(fā)生變化，內(nèi)部油脂仍然均勻地分布在四周，如圖5所示，密封件未見明顯異常。由此可見，密封件尺寸大小對(duì)磨耗匹配性影響較大，采用陽極氧化的鋁合金耐磨性能得到了極大提升，能滿足該型結(jié)構(gòu)制動(dòng)缸設(shè)計(jì)要求。

圖3 未陽極氧化缸體

圖4 損壞密封圈

圖5 陽極氧化缸體

采用Zl114A鋁合金材料制動(dòng)缸重量在16.5 kg，較球鐵材料制動(dòng)缸減重4.5 kg，達(dá)到了目標(biāo)要求；采用陽極氧化的缸體耐腐蝕性能良好，鹽霧試驗(yàn)達(dá)700 h，明顯優(yōu)于采用磷化處理的球鐵缸體72 h，更有效地保證了制動(dòng)缸疲勞密封性；其他型式試驗(yàn)性能如強(qiáng)度疲勞試驗(yàn)、-40 ℃低溫密封性試驗(yàn)，振動(dòng)沖擊試驗(yàn)、IP防塵防水試驗(yàn)等均能達(dá)到球鐵制動(dòng)缸同等水平。

4 結(jié)論

上文探討了采用ZL114A替代球鐵進(jìn)行制動(dòng)缸零件試制的應(yīng)用研究，將制動(dòng)缸整體重量由21 kg降至16.5 kg，尺寸精度由CT9級(jí)提升至CT7級(jí)，耐腐蝕能力由鹽霧試驗(yàn)72 h提升至700 h，有效提升了產(chǎn)品性能和質(zhì)量。