查明暉，徐 良，嚴(yán) 杰，楊 偉

（南車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司，江蘇常州 213011）

機(jī)車牽引電機(jī)是機(jī)車的心臟，而電機(jī)端蓋作為牽引電機(jī)上關(guān)鍵零部件，其質(zhì)量和性能直接影響著機(jī)車運(yùn)行的安全性和可靠性。筆者所在單位承擔(dān)了某機(jī)車牽引電機(jī)端蓋鑄件的研制工作，其外形見圖1；該鑄件材質(zhì)為EN-GJS-400-18LT，毛坯重量在160kg左右，鑄件內(nèi)外部質(zhì)量要求較高，全身磁粉結(jié)果不能超過GB/T9444中規(guī)定的3級，全身射線探傷結(jié)果不能超過ASTME446/E186規(guī)定的2級。

1 鑄件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

牽引電機(jī)端蓋鑄件平均模數(shù)為1.0cm，整體上來看，應(yīng)屬于薄壁球墨鑄鐵件，薄壁區(qū)壁厚為12mm，且大部分薄壁區(qū)為大平面；鑄件主要熱節(jié)即厚壁區(qū)分布如下：

中間軸孔位置，厚度達(dá)65mm，局部模數(shù)2.54cm；與電機(jī)壓圈配合的法蘭，最厚處也有60mm，局部模數(shù)1.3cm.

從上述的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以看出該產(chǎn)品鑄造工藝上的主要難點(diǎn)如下：

圖1 牽引電機(jī)端蓋

1）如何保證薄壁區(qū)大平面無冷隔、夾渣等缺陷，從而滿足鑄件磁粉探傷外部質(zhì)量要求；

2）如何保證軸孔與法蘭等關(guān)鍵部位無縮松，縮孔等缺陷，從而滿足鑄件射線探傷的內(nèi)部質(zhì)量要求。

2 鑄造工藝概述

通常的工藝思路是[1]，為方便下芯考慮，將鑄件整體位于上型。筆者認(rèn)為，這樣分型考慮并不妥。這樣做雖然下芯較為方便，但是帶來的問題就是，鑄件的大平面區(qū)位于上型，鐵水在大平面交匯，很容易產(chǎn)生冷隔、夾渣、氣渣隔等缺陷[2]。

這里采用的工藝是將鑄件整體位于下型，整體芯的定位方式為：一邊依靠通風(fēng)口拉出芯頭固定，另一邊在中間軸孔處做出隨形冷鐵芯頭固定（見圖2）。為保證鐵水充型平穩(wěn)，采用了底注式澆注系統(tǒng)，從通風(fēng)口引入內(nèi)澆口，采用半開放半封閉式澆注系統(tǒng)，根據(jù)大孔出流的設(shè)計(jì)理論確定各組元比例為：A直∶A橫∶A內(nèi)=1.5∶2∶1。并在各個(gè)內(nèi)澆口前都放置了陶瓷過濾片，進(jìn)一步強(qiáng)化擋渣作用。

針對厚壁處熱節(jié)的處理，考慮用冷鐵及冒口的方式來保證其內(nèi)部質(zhì)量。軸孔處由于模數(shù)較高（>2.5cm），優(yōu)先考慮采用無冒口工藝[3]，在此處放置成型冷鐵；而法蘭處則需利用冒口進(jìn)行補(bǔ)縮，法蘭加工面上放了5個(gè)中號（7/10）發(fā)熱冒口，在冒口之間放置了小冷鐵，將各個(gè)冒口的補(bǔ)縮區(qū)域隔開。發(fā)熱冒口的使用提高了工藝出品率，上述工藝的出品率達(dá)到了86%。工藝簡圖見圖2.

圖2 鑄造工藝簡圖

其他的主要鑄造工藝參數(shù)為，鑄件收縮率0.8%，出氣片均布8～10個(gè)，采用高強(qiáng)度的自硬呋喃樹脂砂造型、制芯，型腔依次用醇基鋯英粉涂料和石墨涂料各涂刷一遍；中頻感應(yīng)電爐熔煉，澆注溫度略高，為1400℃，澆注時(shí)間18s～20s.

3 試制情況

按上述工藝進(jìn)行了若干次試制，得到的鑄件材料性能優(yōu)異，達(dá)到了EN-GJS-400-18-LT的要求；鑄件經(jīng)清理拋丸之后，對毛坯全表面進(jìn)行濕法熒光磁粉探傷，沒有發(fā)現(xiàn)超標(biāo)的磁痕缺陷，鑄件外部質(zhì)量滿足技術(shù)要求。但對鑄件全身進(jìn)行DR成像檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鑄件厚大部位存在縮松問題，中間軸孔和月牙搭子處各有1處超標(biāo)，按ASTM評級，達(dá)到了3～4級。具體的縮松的位置和程度可見圖3～圖5.

圖3 縮松的位置

圖4 軸孔處的縮松

圖5 月牙搭子處縮松

4 縮松問題的分析與解決

為了進(jìn)一步了解縮松的形成原因及過程，以便下一步工藝的改進(jìn)及完善，我們對上述工藝做了計(jì)算機(jī)模擬[4]，采用的凝固模擬軟件為MAGMAsoft.

4.1 原工藝的模擬結(jié)果

MAGMAsoft充型模擬結(jié)果顯示，整個(gè)鑄件在澆注過程中，鐵液平穩(wěn)上升，速度均在100cm/s以下，無任何飛濺、卷氣等現(xiàn)象，底注式澆注系統(tǒng)起到了較好的作用。

圖8為凝固模擬結(jié)果中porosity判據(jù)圖像，可以看出，porosity判據(jù)顯示的缺陷分布情況與實(shí)際基本吻合。進(jìn)一步分析鑄件在固液轉(zhuǎn)變時(shí)的液相分布情況，發(fā)現(xiàn)月牙搭子處在凝固后期出現(xiàn)了“甩尾巴”（見圖8），上方的冒口的補(bǔ)縮通道會提前關(guān)閉，“尾巴處”最后凝固而得不到補(bǔ)縮，從而產(chǎn)生縮松。軸孔處同時(shí)凝固的情況較好，但最終仍判定為有缺陷，說明該處自補(bǔ)縮能力有限。

圖6 充型過程的模擬結(jié)果

圖7 porosity 判據(jù)顯示的缺陷分布（線圈內(nèi)）

圖8 凝固后期（約10 min 28 s）時(shí)液相分布

4.2 工藝優(yōu)化

通過上述的模擬結(jié)果分析可見，工藝調(diào)整方案應(yīng)從如下2個(gè)方面來進(jìn)行：

1）軸孔處的縮松是由于自補(bǔ)縮失敗造成的，因此，應(yīng)增加的外部的補(bǔ)縮來源。增加發(fā)熱冒口是個(gè)簡單又可行的措施，考慮到軸孔處模數(shù)較大，在此放置了2個(gè)大號（10/13）發(fā)熱冒口來進(jìn)行補(bǔ)縮。

2）月牙搭子的縮松是由于補(bǔ)縮通道不暢所致，而鑄件的形狀決定了無法通過增加補(bǔ)貼等措施來加大補(bǔ)縮通道。因此，可以考慮在月牙搭子的“尾巴”處增加冷鐵，強(qiáng)化激冷作用，使該處凝固提前，以形成一個(gè)從冒口到月牙熱節(jié)處的順序凝固過程。

優(yōu)化后的工藝出品率也達(dá)到了82%，并對該工藝進(jìn)行了MAGMAsoft凝固模擬，其porosity判據(jù)顯示無明顯缺陷，月牙搭子處“尾巴”也消除了（圖9），工藝優(yōu)化效果非常明顯。

5 新工藝的試制情況

采用新工藝試制了10余件產(chǎn)品，鑄件材質(zhì)、尺寸、內(nèi)、外部質(zhì)量均滿足了技術(shù)要求。鑄件經(jīng)DR成像及實(shí)物解剖均未發(fā)現(xiàn)任何缺陷，順利通過了客戶的認(rèn)可，為批量生產(chǎn)打好了基礎(chǔ)。

6 結(jié) 論

1）端蓋類薄壁球鐵件采用底注式澆注系統(tǒng)能夠保證充型平穩(wěn)，提高了鑄件外部質(zhì)量；

2）通過MAGMAsoft凝固模擬軟件對鑄造工藝進(jìn)行了分析及優(yōu)化，成功解決了試制過程中的縮松問題。

[1]傅成駿，葉海定.HXD1C型機(jī)車牽引電機(jī)球墨鑄鐵端蓋鑄造工藝研究[J］.電力機(jī)車與城軌車輛，2010（01）：35-36.

[2]王敏.樹脂自硬砂鑄造“氣渣坑”、“氣渣隔”缺陷與防止[J］.鑄造技術(shù)，2002（03）：172.

[3]周亙.球墨鑄鐵件無冒口鑄造可行性論證與實(shí)踐[J］.現(xiàn)代鑄鐵，2004（03）：1-8.

[4]嚴(yán)杰.船用球鐵活塞裙的鑄造工藝研究[J］.鑄造設(shè)備與工藝，2012（02）：29.