普進(jìn)文,涂永輝

(中國鐵建高新裝備股份有限公司,云南 昆明 650215)

0 引言

軸承箱體是大型養(yǎng)路機(jī)械搗固車轉(zhuǎn)向架上的重要零件,屬于A/B類、八防(防斷裂)鑄件,質(zhì)量要求較高,對鐵路“開天窗”作業(yè)及行車過程的安全影響較大[1-2]。近期該軸承箱體鑄件機(jī)械加工過程中夾渣、氣孔、夾砂等缺陷比例呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢,且缺陷位置相對集中,主要集中在兩側(cè)燕尾槽下端、軸孔及周邊位置,返工率較高,補(bǔ)焊處理量較大。本文主要針對工藝問題進(jìn)行分析及改進(jìn),使其達(dá)到大幅降低該鑄件缺陷的目的,從而保證軸承箱體的質(zhì)量滿足技術(shù)要求。

1 鑄件結(jié)構(gòu)及工藝分析

軸承箱體整體結(jié)構(gòu)如圖1所示,外形尺寸為375 mm×288 mm×160 mm,鑄件兩側(cè)面為夾角120°的燕尾槽結(jié)構(gòu),鑄件毛重為78.5 kg,材質(zhì)為ZG230-450。該產(chǎn)品是大型養(yǎng)路機(jī)械的重要配件,鑄件從毛坯到成品需要進(jìn)行多次探傷,要求不得有裂紋、縮松和影響機(jī)械性能的氣孔、砂眼等缺陷。

圖1 軸承箱體實(shí)體圖

2 原工藝方案及缺陷分析

2.1 原工藝方案分析

使用堿性酚醛樹脂自硬砂生產(chǎn)工藝,砂型、砂芯均使用硅砂及再生砂按照一定比例混合制作而成。模型為軸孔水平、燕尾槽縱置的一型四件布排結(jié)構(gòu),外模及芯盒為純手工制作。為方便制模及下芯,2個橫置的軸孔芯及8個側(cè)邊燕尾槽芯單獨(dú)制作芯盒,選擇與上下2個平面平行且過軸孔中心的平面分型工藝方案。

采用中間注入的澆注系統(tǒng),直澆道為?60 mm,截面積為2 827.43 mm2,橫澆道截面積為2 012.22 mm2,內(nèi)澆道截面面積為1 083.61 mm2,鋼液從中間引入砂型澆口、直澆道,經(jīng)橫澆道、內(nèi)澆道均勻分流后進(jìn)入型腔。

保證各位置的補(bǔ)縮效果,上箱擺放4個尺寸為?160 mm×200 mm的砂型冒口,下箱底部擺放4塊150 mm×140 mm×45 mm的外冷鐵,工藝布局如圖2所示。

2.2 原工藝數(shù)值模擬

使用華鑄CAE鑄造工藝模擬軟件對原工藝充型過程和補(bǔ)縮效果進(jìn)行模擬,如圖3所示,從模擬的充型、凝固、補(bǔ)縮效果上看,該工藝充型平穩(wěn),未出現(xiàn)紊流現(xiàn)象,鑄件整體比較致密,原工藝補(bǔ)縮系統(tǒng)及澆注系統(tǒng)合理。

圖3 CAE模擬充型(左)、凝固(右)效果圖

2.3 缺陷分析

2.3.1缺陷現(xiàn)狀

每批次40件軸箱鑄件加工后出現(xiàn)夾渣、氣孔、夾砂(見圖4)等鑄造缺陷的占比平均約為23.93%。

圖4 缺陷分布圖

(1)夾砂、氣孔缺陷：夾砂、氣孔缺陷在燕尾槽下端鑄件死角位置出現(xiàn)頻率居多。

(2)夾渣缺陷：夾渣缺陷主要出現(xiàn)在軸孔內(nèi)側(cè)、軸孔端面、冒口兩側(cè)平面和燕尾槽表面。

按上述工藝生產(chǎn)缺陷較多,經(jīng)后期處理雖然能基本達(dá)到設(shè)計(jì)和使用要求,但在后期的處理過程中工作量較大,處理周期也長。

2.3.2鑄造缺陷成因分析

(1)夾砂。模型、芯盒受使用年限、使用過程損耗以及天氣等因素影響,原預(yù)留砂芯間隙變小,合箱時(shí)型腔上箱與分型面上方芯頭擦碰產(chǎn)生碎砂掉落型腔底部,合箱完畢后無法從冒口處觀察。觀察澆注后的鑄件毛坯外觀,無明顯粗糙、缺失、多肉現(xiàn)象,排除鋼液沖刷型腔的可能,而澆口、直澆道為砂型材質(zhì),考慮澆注時(shí)鋼液進(jìn)入砂型澆注系統(tǒng)時(shí)沖刷裹挾少量砂子,連同鑄型中的碎砂隨鋼液流至遠(yuǎn)端死角處,形成夾砂缺陷。

(2)氣孔。由于上述模型及芯盒的原因,需要手工打磨芯頭后方能下芯到位,因多處手工打磨導(dǎo)致砂芯與外模之間會產(chǎn)生1個間隙,而原工藝生產(chǎn)時(shí)嘗試下型砂模不進(jìn)行流涂,在8個燕尾槽砂芯下芯完成后采取手工刷涂的方式進(jìn)行涂刷,2次涂刷過程中滲入砂芯間隙內(nèi)的涂料在烘烤時(shí)無法全部烤干,在澆注過程中受熱大量發(fā)氣,但處于鑄型的遠(yuǎn)端,產(chǎn)生的氣體無法逸出,導(dǎo)致在鑄件內(nèi)形成氣孔。針對該操作流程的不合理性,此處進(jìn)行了一些調(diào)整,砂芯及外模先分別涂刷完成再進(jìn)行下芯合箱操作,為避免縫隙較大產(chǎn)生大量飛邊,采取用涂料膏修補(bǔ)縫隙,經(jīng)過驗(yàn)證,氣孔缺陷仍未得到有效解決。

(3)夾渣。生產(chǎn)初期嘗試在直澆道底部放置過濾網(wǎng)來擋渣,但由于材質(zhì)為鑄鋼,澆注溫度較高,且使用漏包澆注,過濾網(wǎng)的擋渣效果不明顯,而整個澆注過程均有相應(yīng)的防護(hù)措施,故考慮夾渣來源于鋼液中的爐渣、澆包內(nèi)殘留的冷鋼、覆蓋劑、水口磚填充物等,以及澆注過程中鋼液的氧化產(chǎn)物,在澆注時(shí)隨鋼液進(jìn)入型腔未及時(shí)上浮,部分滯留在鑄件本體內(nèi),在鑄件淺表層及夾角處形成夾渣[3-6]。

綜上所述,原工藝方案補(bǔ)縮系統(tǒng)和澆注系統(tǒng)沒有問題,產(chǎn)生缺陷的原因主要為砂芯芯頭擦碰、涂料滲入滯留、鋼液及澆包潔凈度等。針對缺陷產(chǎn)生的主要原因,從減少沖砂和提高鋼液潔凈度方面制定對策加以改進(jìn)。

3 改進(jìn)與實(shí)施

根據(jù)上述分析,對砂芯進(jìn)行工藝改進(jìn)重制模型,采用自帶芯的方式將原燕尾槽砂芯做成實(shí)樣,在造型時(shí)直接形成自帶芯,取消制芯、下芯工序,同時(shí)對澆道材質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化,具體措施及實(shí)施情況如下：

3.1 砂芯改進(jìn)

采用自帶芯的方式將原燕尾槽砂芯做成實(shí)體。現(xiàn)有模型數(shù)控加工中心加工能力強(qiáng)、效率高,能夠滿足多種不規(guī)則面、凹槽面的加工需求。本次改進(jìn)將8個燕尾槽位置的砂芯設(shè)計(jì)成自帶芯,在造型時(shí)下模凹槽部分形成凸起的芯頭,與下模為統(tǒng)一整體,合箱時(shí)與上模芯頭座配合,2個軸孔芯沿用原工藝方案。優(yōu)化后的模型如圖5所示。

圖5 新模型工藝圖

位于下型板的燕尾槽直接做成實(shí)樣,形成自帶芯,減少8個燕尾槽砂芯的制芯及下芯工序,能夠確保合箱時(shí)上、下模對應(yīng)位置較好地配合,避免下芯過程中芯頭與芯座間的擦碰。此時(shí)燕尾槽與其他位置為統(tǒng)一整體,較好地規(guī)避了涂刷時(shí)涂料滲入間隙引起的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 澆道材質(zhì)優(yōu)化

延用中間注入的澆注方式,對澆道材質(zhì)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化：使用燒制成型的陶瓷管、澆口杯替代原砂型的直澆道及澆口,提高表面耐火度及抗沖刷性。

4 現(xiàn)場質(zhì)量控制

鑄造工藝是鑄件質(zhì)量控制的第一步,尤為重要,而現(xiàn)場操作細(xì)節(jié)也極大地影響著鑄件質(zhì)量,為保證現(xiàn)行工藝執(zhí)行的準(zhǔn)確、有效,需要采取以下措施：

(1)新模型投產(chǎn)后在造型、制芯、下芯、合箱等工序?qū)δＰ偷臏?zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證,判定拔模斜度、砂芯間隙等是否設(shè)置得當(dāng),是否存在擦碰掉砂的情況。

(2)定期檢測型砂強(qiáng)度、灼減量、發(fā)氣量等,保證砂型、砂芯強(qiáng)度,避免氣孔產(chǎn)生。

(3)冷鐵與鑄件接觸位置在造型使用前進(jìn)行拋丸或打磨處理,去除表面銹蝕及油污,合箱前去除表面粘附的涂料并烘烤,減少氣孔缺陷的產(chǎn)生。

(4)造型、制芯時(shí)逐層緊實(shí),尤其在尖角薄弱位置重點(diǎn)關(guān)注,保證各位置緊實(shí)度符合要求,避免夾砂缺陷的產(chǎn)生。

(5)嚴(yán)格按照作業(yè)指導(dǎo)書要求在造型后插滿足要求尺寸、數(shù)量、深度的氣眼,保證砂型透氣性。

(6)合箱前對鑄型型腔、氣眼、冒口、澆道等進(jìn)行清潔,去除鑄型內(nèi)的浮砂、粉塵以及堆積的涂料等。

(7)自檢、互檢人員對照工序質(zhì)量點(diǎn)檢表逐項(xiàng)檢查、確認(rèn)。

(8)鋼液出水前爐臺保持清潔,鋼液除渣到位;澆包內(nèi)壁冷鋼、附著物、水口磚填充材料等清理干凈,包體烘烤到位;出爐后進(jìn)行二次扒渣操作,降低鋼液釉渣含量;合理控制鋼液出爐溫度及鎮(zhèn)靜時(shí)間,避免鋼液氧化,提高鋼液雜質(zhì)上浮的效果[7-8]。

(9)澆注時(shí)做好引氣、待澆鑄型防護(hù)措施;控制好澆注速度,避免飛濺,并做好操作過程監(jiān)督。

5 效果驗(yàn)證

將優(yōu)化后的軸承箱體新模型投入生產(chǎn)進(jìn)行效果驗(yàn)證。對落砂、拋丸后的鑄件進(jìn)行檢驗(yàn),如圖6所示,鑄件整體表面光潔,未發(fā)現(xiàn)肉眼可見的缺陷,經(jīng)過磁粉探傷,未發(fā)現(xiàn)較嚴(yán)重的鑄造缺陷,機(jī)械加工后鑄件整體質(zhì)量較好,如圖7所示。據(jù)統(tǒng)計(jì),每批次加工40件,加工后出現(xiàn)需要返工的軸承箱體數(shù)量不超過2件,缺陷產(chǎn)生的比例從23.93%降低至3.75%。另外,將燕尾槽位置的砂芯調(diào)整為自帶芯后直接減少了8個砂芯的制芯、下芯任務(wù)量和時(shí)間、場地的占用,單件軸承箱體造型至合箱的用時(shí)從31 min降低至19 min,減少約12 min。

圖6 拋丸后外觀

6 總結(jié)

通過對該軸承箱體原工藝的結(jié)構(gòu)、造型、合箱、熔煉、澆注以及鑄造工藝等進(jìn)行綜合分析,找出產(chǎn)生缺陷的原因,并對模型、澆注系統(tǒng)等進(jìn)行工藝優(yōu)化改進(jìn),對現(xiàn)場操作細(xì)節(jié)進(jìn)行控制,有效解決了軸承箱體鑄件夾渣、氣孔、夾砂比例逐漸升高的問題,達(dá)到控制鑄件質(zhì)量的目的,最終將其缺陷產(chǎn)生的比例降低約84%,同時(shí)提高生產(chǎn)效率近39%,提質(zhì)、增效效果顯著。目前該工藝改進(jìn)方案已運(yùn)用到多種軸箱鑄件上,現(xiàn)場反饋效果較好。