張東偉

（齊齊哈爾軌道交通裝備有限公司鑄造公司，黑龍江 齊齊哈爾 161002）

鐵路貨車用沖擊座是鐵路貨車重要零部件，特別是組合了前從板座的一體式?jīng)_擊座，其位于牽引梁一端，部分暴露于貨車車體外部，需要承受來(lái)自車鉤及中梁的牽引和沖擊力，因此對(duì)鑄件的外觀和內(nèi)部質(zhì)量要求極其嚴(yán)格。我公司于2008年從無(wú)錫錫南鑄造機(jī)械設(shè)備有限公司引進(jìn)了酯硬化水玻璃砂造型工藝生產(chǎn)線，用于生產(chǎn)鐵路貨車用沖擊座、后從板座等鑄鋼件系列產(chǎn)品，采用該工藝生產(chǎn)鑄件具有生產(chǎn)效率高、尺寸精度高、表面質(zhì)量好等特點(diǎn)。

1 產(chǎn)品簡(jiǎn)介

一體式?jīng)_擊座類鑄鋼件是車體牽引梁的重要組成部分，該類鑄鋼件均采用開放式箱形結(jié)構(gòu)，是典型的薄壁箱形鑄鋼件。一體式?jīng)_擊座材質(zhì)為TB/T2942-C級(jí)鋼（ZG25MnGrNiMo），保證產(chǎn)品機(jī)械性能指標(biāo)；并通過(guò)劃線和樣板檢查，控制鑄件的尺寸，使其具有良好的加工、裝配和互換性能，保證毛坯加工定位精度及組裝精度；而且抽樣解剖沖擊座實(shí)物，檢查鑄件內(nèi)部密實(shí)度情況，要求無(wú)縮孔、縮松及氣孔等缺陷。鑄件簡(jiǎn)圖如圖1所示。

2 工藝性分析及數(shù)值工藝模擬

2.1 產(chǎn)品工藝性分析

根據(jù)圖紙進(jìn)行分析，該類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁厚不均，最薄處僅為16mm，而最厚處則達(dá)50mm以上，在結(jié)構(gòu)工藝性和制造工藝性上存在突出特點(diǎn)，導(dǎo)致工藝上存在如下幾個(gè)難點(diǎn)需要解決：

1）一體式?jīng)_擊座皆為開放式箱形結(jié)構(gòu)，兩個(gè)側(cè)面為厚度僅22mm（毛坯）的大平板，在兩個(gè)平板之間僅有一處或兩處相連，平板上還有矩形立板結(jié)構(gòu)，并且平板上僅部分位置有拉筋抵消部分鑄造應(yīng)力，在各種鑄造應(yīng)力的作用下，必然產(chǎn)生復(fù)雜的變形。

2）沖擊座尾部借用后從板座的部分結(jié)構(gòu)（如圖1），根據(jù)后從板座的具體生產(chǎn)實(shí)踐，此種結(jié)構(gòu)在拉筋與側(cè)板和尾部筋板相交的根部易產(chǎn)生縮松缺陷，需要采用數(shù)值模擬對(duì)凝固過(guò)程進(jìn)行分析，確定澆冒口工藝。

圖1 一體式?jīng)_擊座簡(jiǎn)圖

3）沖擊座頭部為厚壁向薄壁過(guò)渡的結(jié)構(gòu)，存在大小不一的熱節(jié)，易產(chǎn)生縮孔缺陷，特別一些一體式?jīng)_擊座頭部部分為實(shí)體結(jié)構(gòu)，此處縮孔缺陷通過(guò)工藝措施很難消除，并且采用冒口過(guò)大將造成工藝出品率過(guò)低，需要對(duì)凝固過(guò)程進(jìn)行分析改進(jìn)。

4）沖擊座外形尺寸大，薄壁多，而為保證鑄件內(nèi)腔尺寸精度，保證加工和組裝性能，砂芯采用整體芯，體積大，重量沉，使下芯不準(zhǔn)確，易造成鑄件偏皮；并且因以上原因，砂芯發(fā)氣量大，如排氣不暢，易造成氣孔缺陷。

5）由于造型線的生產(chǎn)特點(diǎn)，鑄型平面與側(cè)面以及不同高度之間的砂型硬度存在差異，鑄型中心與靠近砂箱部分緊實(shí)程度不同，造成鑄件在凝固過(guò)程中兩面?zhèn)劝逅荑T造應(yīng)力大小不同，將最終導(dǎo)致兩側(cè)板平面度不同，即內(nèi)腔尺寸變化情況不同。

2.2 一體式?jīng)_擊座數(shù)值工藝模擬

2.2.1 沖擊座網(wǎng)格劃分

為了保證計(jì)算精度和計(jì)算速度，對(duì)鑄件、澆注系統(tǒng)、冒口、砂型采用相同的網(wǎng)格尺寸，網(wǎng)格尺寸取5mm，最終劃分網(wǎng)格總數(shù)為：2499220。實(shí)體模型剖分結(jié)果如圖2所示。

2.2.2 鑄件的物性參數(shù)選擇

物性參數(shù)的選擇合理與否對(duì)模擬計(jì)算準(zhǔn)確性有著決定性影響。沖擊座的材料選擇為C級(jí)鋼；砂型選用酯硬化水玻璃砂進(jìn)行此次模擬。

澆注工藝：澆注溫度為1580℃，鑄型初始溫度為20℃。

圖2 沖擊座實(shí)體模型剖分

2.2.3 沖擊座澆注過(guò)程分析

流場(chǎng)是反映金屬液在鑄造型腔中的流動(dòng)過(guò)程，也就是金屬液在型腔中的充填順序，同時(shí)可以看到充填過(guò)程中金屬液的溫度變化。根據(jù)充型過(guò)程流場(chǎng)的分析可以發(fā)現(xiàn)鑄件充型過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷。充型液體流動(dòng)場(chǎng)分析如圖3所示。

從流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果可以看出，金屬液的流動(dòng)狀態(tài)逐漸趨于穩(wěn)定，金屬液的流動(dòng)速度變化較小，液面穩(wěn)定上升，因此從充型過(guò)程模擬結(jié)果來(lái)看，基本達(dá)到了順序充填，澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本合理。

圖3 沖擊座流場(chǎng)分析

2.2.4 沖擊座凝固過(guò)程分析

凝固過(guò)程的溫度場(chǎng)及液相分布場(chǎng)反映的是凝固過(guò)程中鑄件各部位的溫度變化及液相變化，通過(guò)對(duì)鑄件的凝固過(guò)程模擬，可以很好的判斷鑄件的凝固順序、最后凝固區(qū)域以及有無(wú)孤立凝固區(qū)，從而預(yù)測(cè)出鑄件缺陷產(chǎn)生的位置。

1）凝固過(guò)程液相分析

凝固過(guò)程液相分析如圖4所示。從模擬結(jié)果看，最后凝固的部分為冒口，基本達(dá)到了順序凝固。

2）凝固過(guò)程溫度分析

沖擊座凝固過(guò)程溫度分析結(jié)果如圖5所示。從模擬結(jié)果看，在凝固時(shí)間為611 s時(shí)其他部分已凝固，只有前面兩個(gè)大冒口處溫度還在1400℃左右，說(shuō)明鑄件可得到充分補(bǔ)縮。

圖4 沖擊座凝固過(guò)程液相分析

圖5 沖擊座凝固過(guò)程溫度分析

3）定量縮孔分析

凝固過(guò)程的定量縮孔分析反映了鑄件各部位在凝固過(guò)程中液相分布情況，據(jù)此可判斷出在凝固過(guò)程中液相溫度的變化及鑄件各孤立區(qū)最后凝固的部位，這些往往也是鑄件易出現(xiàn)縮孔、縮松的部位。沖擊座定量縮孔分析結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出凝固時(shí)間為402 s時(shí)鑄件部分已全部凝固，只有澆冒口還處于液相，611 s時(shí)，已全部凝固，縮松位置留在了澆口和冒口的上部。

圖6 沖擊座定量縮孔分析

從上述分析結(jié)果可以看出，上述澆冒口系統(tǒng)設(shè)置基本合理，可以進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)及驗(yàn)證。

3 一體式?jīng)_擊座工藝方案

3.1 造型線的主要參數(shù)

我公司所引進(jìn)的酯硬化造型生產(chǎn)線具有自動(dòng)完成震實(shí)、硬化、翻箱等各項(xiàng)工序過(guò)程，它的主要性能指標(biāo)見表1。

3.2 生產(chǎn)工藝方案

針對(duì)沖擊座類鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和質(zhì)量要求，采用一箱兩件、水平分型、水平澆注；在模型和砂芯設(shè)計(jì)時(shí)，收縮率采用2%，下箱須設(shè)積砂槽，為保證尺寸精度和定位準(zhǔn)確，大砂芯設(shè)計(jì)成整體芯，并采用大芯頭；芯盒全部采用脫落式芯盒，其具體工藝參數(shù)和工藝布局如下。

表1 酯硬化水玻璃砂造型線主要性能指標(biāo)

1）拔模斜度

由于該類鑄件尺寸精度較高，拔模斜度的選取對(duì)尺寸精度影響很大，為此拔模斜度定為45＇，加工面處為正拔，其余為正負(fù)拔。

2）澆冒口的布置

圖7 一體式?jīng)_擊座工藝分析簡(jiǎn)圖

澆注系統(tǒng)采用“中間注入式開放式”使?jié)沧⑵椒€(wěn)，同時(shí)澆口碗、直澆道采用耐火制品，使?jié)沧⑾到y(tǒng)有足夠的耐火度和強(qiáng)度，避免沖砂和夾砂缺陷。為保證鑄件的“密實(shí)度”，在沖擊座頭部及尾部加設(shè)冒口，并在冒口外設(shè)保溫冒口套，便于補(bǔ)縮、集渣和排氣，如圖7所示。

3）合箱及合箱至澆注時(shí)間的確定

酯硬化自硬砂造型，鑄型表面強(qiáng)度易“回潮”，24 h鑄型強(qiáng)度會(huì)有明顯的下降，易導(dǎo)致沖砂砂眼缺陷，故造型至合箱時(shí)間確定為4 h以內(nèi)。為避免合箱后砂芯“吸潮”強(qiáng)度降低，合箱至澆注時(shí)間確定為4 h以內(nèi)。

4）為避免砂眼缺陷，造型時(shí)面砂、背砂均采用連續(xù)式混砂機(jī)混制的酯硬化水玻璃砂，提高砂型的強(qiáng)度。

5）芯砂種類

為保證砂芯強(qiáng)度，砂芯亦采用酯硬化水玻璃砂打制，并在表面涂刷醇基鋯英粉涂料，改善砂芯的耐火度及出砂性。同時(shí)酯硬化水玻璃發(fā)氣量較小，可以減少氣孔缺陷。但砂芯重量加大，增加下芯難度。

6）鋼水澆注溫度為：1580℃～1620℃.

7）防止變形的措施

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)置拉筋，如圖7所示，將開放性結(jié)構(gòu)改變?yōu)榉忾]結(jié)構(gòu)，并加設(shè)一定的反變形量消除剩余鑄造應(yīng)力的影響。

4 鑄造缺陷及工藝改進(jìn)措施

4.1 氣孔

在生產(chǎn)過(guò)程中，由于沖擊座類鑄件為箱形結(jié)構(gòu)，且采用整體砂芯，體積過(guò)大，發(fā)氣量很大，在澆注過(guò)程中氣體排不出去，導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生氣孔和澆不足的缺陷。對(duì)此采取如下工藝措施：

1）按照產(chǎn)品工藝特點(diǎn)，在沖擊座砂芯制造過(guò)程中，在砂芯中放置焦炭以提高透氣性，并且焦炭在澆鑄過(guò)程中不產(chǎn)生氣體，也可降低氣體來(lái)源；在沖擊座芯盒上設(shè)計(jì)十字形組合掏空，效果更顯著。并且降低了砂芯重量。

3）在砂型與砂芯芯頭相接處設(shè)置排氣道，加快排氣速度。

4）合箱后，手工扎排氣孔，增加澆注過(guò)程中的排氣能力。

4.2 縮孔、縮松

在試制過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在沖擊座頭部存在補(bǔ)縮不足或縮孔，而在沖擊座拉筋根部有縮松存在。為此將冷鐵和冒口進(jìn)行了調(diào)整

1）在沖擊座頭部冒口上加設(shè)保溫冒口套，同時(shí)加設(shè)冒口圈，提高金屬液體壓頭高度，增加液態(tài)金屬補(bǔ)縮量；并增大沖擊座冒口根部圓角，延長(zhǎng)補(bǔ)縮時(shí)間，增大補(bǔ)縮范圍。

2）沖擊座頭部厚壁處設(shè)置成形冷鐵，加快厚壁處鋼水冷卻速度，配合冒口使用，增加冒口補(bǔ)縮距離，提高冒口補(bǔ)縮效率。

4.3 變形和尺寸超差

由于沖擊座類鑄件為類箱形、開放式結(jié)構(gòu)，凝固狀態(tài)復(fù)雜，導(dǎo)致各處鑄造應(yīng)力不同，使內(nèi)腔外脹，尺寸超差；對(duì)此采取的工藝措施如下。

1）在沖擊座整體芯兩個(gè)平板上設(shè)置球形的反變形量，最高處為3mm，抵消鑄造應(yīng)力的影響。

2）根據(jù)沖擊座結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在各位置設(shè)置不同尺寸的矩形拉筋，將開放性結(jié)構(gòu)改變?yōu)榉忾]結(jié)構(gòu)，并通過(guò)控制拉筋尺寸，調(diào)整拉筋所起的作用。

3）調(diào)整沖擊座各部位尺寸，抵消鑄造應(yīng)力對(duì)收縮率的影響。

5 結(jié) 論

通過(guò)反復(fù)的工藝改進(jìn)和試制，一體式?jīng)_擊座在酯硬化造型線上投產(chǎn)獲得成功，通過(guò)各項(xiàng)檢測(cè)，滿足使用要求，并批量生產(chǎn)，裝車使用。上述工藝驗(yàn)證表明上述一體式?jīng)_擊座的生產(chǎn)工藝合理，可以作為典型工藝生產(chǎn)同類產(chǎn)品。

［1］華中理工大學(xué).鑄造工藝學(xué)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.

［2］哈爾濱工業(yè)大學(xué).鑄件形成理論［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.