茍富強(qiáng)

（成鐵重慶機(jī)器制造廠資陽(yáng)分廠，四川 資陽(yáng) 641300）

棘輪本體是鐵路電氣化接觸網(wǎng)的重要零部件，其性能直接影響鐵路的行車安全。棘輪本體零件圖，如圖1所示。其采用金屬模低壓鑄造，材料牌號(hào)為ZAlSi7Mg1A，符合GB/T1173-1995，合金狀態(tài)為T5（固溶處理加不完全人工時(shí)效），其鑄造狀態(tài)為JB（金屬型鑄造+變質(zhì)處理），抗拉強(qiáng)度為σb≥290 MPa，延伸率為δ5≥2%。除內(nèi)孔外，其余均不需要機(jī)加工。鑄件不許有氣孔，縮松，夾渣等缺陷，表面應(yīng)光潔，平整。輪體溝槽無(wú)毛刺及殘?jiān)?。下面就以棘輪本體為例，介紹棘輪本體金屬模低壓鑄造工藝與模具設(shè)計(jì)。

圖1 棘輪本體零件圖

1 工藝的制定及細(xì)化

1.1 工藝的制定

低壓鑄造上部為用于澆注的鑄型（通常為金屬型）；下部為密閉的保溫坩堝爐，用于儲(chǔ)存熔煉好的金屬溶液，鑄型與坩堝間由升液管相聯(lián)通。低壓鑄造的工藝過(guò)程如下：澆注前先將鑄型預(yù)熱到工作溫度，噴刷涂料，以提高其耐火性及表面精度，然后緩慢的向坩堝內(nèi)通入干燥的壓縮空氣。金屬熔液在氣體壓力的作用，由下而上沿著升液管平穩(wěn)上升，直到充滿鑄型型腔。充型結(jié)束后立刻提高壓力至規(guī)定的工作壓力，使金屬熔液在壓力作用下結(jié)晶。當(dāng)鑄件完全結(jié)晶后，使坩堝室與大氣相通，撤銷壓力，升液管和澆道中尚未凝固的金屬熔液在壓力的作用下流回坩堝。開啟上型，取出鑄件。制造工藝過(guò)程如圖2所示。

在壓力鑄造時(shí)，鑄件不需另設(shè)冒口，而由澆口兼起補(bǔ)縮作用。為使鑄件實(shí)現(xiàn)自上而下的順序凝固，澆口的截面尺寸必須足夠大，而且應(yīng)開在鑄件的最厚壁處。

圖2 棘輪制造工藝

1.2 工藝的細(xì)化

（1）金屬型模

先利用金屬 (一般采用球墨鑄鐵或耐熱沖擊合金)制作零件模具的型腔。然后設(shè)置合理的澆冒系統(tǒng)和開合模機(jī)構(gòu)，盡量減少飛邊或大熱節(jié)的產(chǎn)生。開合模具、澆注均由鑄機(jī)完成，金屬型的結(jié)構(gòu)為上下開合模，兩側(cè)為半圓環(huán)塑芯，中心孔型芯帶在上模型。

（2）砂芯模具及砂芯制作

砂芯模具采用金屬模。利用金屬(一般采用球墨鑄鐵或耐熱沖擊合金)制作砂芯模具的型腔。砂芯制造采用制芯機(jī)制造，沙子采用覆膜砂。制出的砂芯必須光潔、有足夠的強(qiáng)度和干燥度，避免發(fā)氣量過(guò)大。砂芯如保存超過(guò)一天，最好在使用前進(jìn)行烘干處理。

（3）金屬熔煉

鋁合金采用電阻爐進(jìn)行熔煉、保溫，鋁合金(ZAl-Si7Mg1A)熔煉溫度在730～770℃。熔煉的金屬液成分、溫度必須滿足要求，方可將合金液注入低壓鑄機(jī)進(jìn)行澆注。

（4）合模澆注

在低壓鑄造時(shí)，鑄型的填充過(guò)程是靠坩堝中液體金屬表面上氣體壓力作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。所需氣體的壓力可用下式確定：p=μρgH。

根據(jù)鑄件形成過(guò)程可分為升液、充型和凝固(結(jié)晶)三個(gè)階段，其所需的壓力及增壓速度也不同。

（5）開模取件

當(dāng)鑄件冷卻固化后，可開模取出鑄件。鑄件要自然頂出，如發(fā)生卡殼現(xiàn)象，必須平穩(wěn)的用小撬棍輕撬，有松動(dòng)后再用鉗子夾出。

（6）清理澆冒口

切割鑄件澆冒口采用手工鋸、圓盤鋸、帶鋸或砂輪切割均可。在切割時(shí)不能殘留過(guò)多或傷到鑄件。對(duì)棘輪輪毅轂上的澆冒口可直接車除。

（7）鑄件變形的校正

鑄件變形校正應(yīng)在淬火后立即進(jìn)行，根據(jù)鑄件特點(diǎn)和變形情況選擇相應(yīng)的矯正方法，矯正時(shí)用力不宜過(guò)猛，要緩慢均勻。

（8）表面處理

用水噴砂處理或噴石英砂處理，將表面氧化及污物清理干凈即可。

2 模具設(shè)計(jì)及改進(jìn)

2.1 模具設(shè)計(jì)方案

棘輪外形主體結(jié)構(gòu)是典型的回旋體。棘輪由輪轂、輪輻、輪輞、棘齒及棘輪大小輪繩槽組成。輪轂為圓形，中間的軸孔采用機(jī)加工成形；輪輻是十字交叉形狀；輪輞為圓弧過(guò)渡至平面。外圓是一棘輪齒及深為15 mm的棘輪槽。輪中心兩側(cè)面對(duì)稱凸起有帶輪槽的小圓形，分模面可以采用通過(guò)輪輻中心的平面作為分模面。模具可做成上下兩開模，但輪槽無(wú)法形成，必須另外下芯形成。根據(jù)低壓鑄造的特點(diǎn)，可采用金屬圓環(huán)型芯形成輪槽。這樣模具主要由上下模及兩側(cè)半圓環(huán)型芯等四塊模具形成。而對(duì)稱凸起有帶輪槽的小圓形上的輪槽仍無(wú)法直接形成，根據(jù)其特點(diǎn)，可以采用砂芯形成。澆冒口直接開在輪轂上(也可以在靠近棘齒的輪輻端增加兩個(gè)澆冒口)，軸預(yù)留孔用中心芯(分流錐)形成。整個(gè)輪的關(guān)鍵是：外形圓度、平整度，輪槽的直徑、形狀，輪槽與軸孔的同軸度的控制。

2.2 工作過(guò)程及模具改進(jìn)

2.2.1 工作過(guò)程

低壓鑄造的工藝設(shè)計(jì)必須充分考慮棘輪本體金屬模低壓鑄造的順序填充(自下而上)和順序凝固(自上而下)的特點(diǎn)，根據(jù)鑄件形狀、壁厚及性能要求進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。因?yàn)榈蛪鸿T造不太適合于壁厚、體積變化非常大的鑄件，對(duì)那些因功能設(shè)計(jì)而不滿足形狀設(shè)計(jì)要求的零件應(yīng)盡量避免。澆口應(yīng)選擇在能夠確保盡可能大的橫截面的部位。離澆口比較遠(yuǎn)且體積比較大，不能滿足順序凝固條件的地方，可設(shè)置過(guò)渡澆道，以起冒口補(bǔ)縮效果口。在低壓鑄造時(shí)，因液體金屬的填充條件得到改善，且保溫好并直接自密封坩堝進(jìn)入鑄型，故澆注溫度一般比重力澆注低10～20℃。如果是鋁合金，澆注溫度在680～730℃之間。金屬液澆注溫度應(yīng)嚴(yán)格控制，波動(dòng)不能太大，否則將影響生產(chǎn)效率及鑄件品質(zhì)。當(dāng)澆注溫度偏高時(shí)，鑄件可能產(chǎn)生內(nèi)澆口不能凝固而回流，形成內(nèi)澆口空洞缺陷，還有可能產(chǎn)生飛邊、縮孔/縮松、粘砂(有砂芯時(shí))等缺陷。若溫度偏低，則有可能產(chǎn)生充型不良、冷隔及內(nèi)澆道凝固堵塞等。

2.2.2 模具的改進(jìn)

（1）分型面的選擇

棘輪本體金屬模低壓鑄造鑄件分型面的選擇遵循一般的鑄件分型設(shè)計(jì)原則，此外還應(yīng)考慮：若采用金屬型，在開模后，應(yīng)使鑄件留在上?；騻?cè)模中，便于頂出鑄件；分型面的選擇應(yīng)有利于設(shè)置澆道和氣體排出。

（2）澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

相比較而言，棘輪本體金屬模低壓鑄造的澆注系統(tǒng)不像其他鑄造成形方法那樣復(fù)雜，但在決定澆口位置、數(shù)量、大小時(shí)，必須使鑄件符合如前所述的順序凝固原則。同時(shí)，要確保合適的澆口截面積，以避免澆注時(shí)形成紊流。

（3）模具設(shè)計(jì)

棘輪本體是關(guān)鍵零部件，對(duì)產(chǎn)品的模具設(shè)計(jì)要求相對(duì)較高。對(duì)本鑄件來(lái)說(shuō)，主要表現(xiàn)在一些部位厚度不均，如果調(diào)整過(guò)多又會(huì)造成變速箱內(nèi)各零件相互碰撞，造成本鑄件幾何尺寸不合格，甚至超差比較大。在未使用鑄造卡板前，公司每月有15件左右的箱體鑄件因幾何尺寸不合格而報(bào)廢，通過(guò)使用鑄造卡板后，現(xiàn)在每月僅有1～2件箱體幾何尺寸不合格而報(bào)廢，而這些箱體報(bào)廢的原因主要是型板、模具、砂箱、烘芯板磨損與變形造成的。通過(guò)幾年的使用，我們認(rèn)為鑄造卡板設(shè)計(jì)制作簡(jiǎn)單，投入少、效果好。

低壓鑄造時(shí)，金屬液凝固是自上而下，故鑄件的補(bǔ)縮應(yīng)自下而上，最后通過(guò)澆道實(shí)現(xiàn)。對(duì)于棘輪輪轂處，由于熱節(jié)處于分型面附近，鑄件縮松現(xiàn)象比較突出。因此，鑄件在鑄型中位置的安排、加工和工藝余量的確定，冷鐵的放置應(yīng)該使鑄件遠(yuǎn)離澆口處先凝固，靠近澆口處后凝固，澆口本身應(yīng)該最后凝固。

金屬型模腔的涂層主要起到兩個(gè)方面的作用：一是蓄熱，即防止金屬液體直接沖刷型腔而產(chǎn)生型腔局部過(guò)熱及鑄件產(chǎn)生冷隔等缺陷；二是導(dǎo)氣，由于涂層顆粒間有間隙，可使型腔中的部分氣體通過(guò)涂層間隙充分逸出。實(shí)踐證明，模具溫度控制在250℃左右時(shí)進(jìn)行噴涂，涂料和模具的粘結(jié)最為牢固。對(duì)棘輪本體薄壁大形鋁鑄件，涂層厚度控制在0.2～0.3 mm，效果最佳。

根據(jù)以上工藝細(xì)化和模具改進(jìn)，成功批量生產(chǎn)出如圖3所示產(chǎn)品實(shí)物。為我廠打開鐵路市場(chǎng)奠定了基礎(chǔ)。

圖3 棘輪本體實(shí)物圖

3 結(jié)束語(yǔ)

低壓鑄造由來(lái)已久，被廣泛的應(yīng)用在各個(gè)工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)中，棘輪本體中的低壓鑄造是一個(gè)精細(xì)的工程，這其中牽扯到包括工藝的制定和細(xì)化，模具的設(shè)計(jì)和改進(jìn)等等，雖然現(xiàn)在的工藝越來(lái)越完善，然而這中間還存在著很多問(wèn)題仍需不斷改進(jìn)和完善，相信隨著科技的不斷發(fā)展、人們的不斷探索，低壓鑄造會(huì)更完美的應(yīng)用于棘輪本體的鑄造中。

[1]錢國(guó)統(tǒng)，金柳軍.雙動(dòng)式棘輪牽引機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].上海有色金屬，2008，（2）：73-75.

[2]趙正雄.棘輪的鑄造工藝設(shè)計(jì)[J].鑄造技術(shù)，2003，（1）：22-23.