高速列车牵引支架铸造工艺的优化探究

高速列车牵引支架铸造工艺的优化探究

隋宝,曲磊,王建立,王强

中车大连机车车辆有限公司  辽宁省大连市  116000

摘要：针对高速列车转向架核心零部件——牵引支架铸造技术进行了探索和研究。通过采用铸造数值模拟软件MAGMAsoii对设计铸造工艺方案充型及凝固过程进行模拟研究，并预判缩孔，缩松等缺陷部位。再根据缺陷提出3种工艺方案并进行分析比较，最后确定牵引支架的科学、合理铸造工艺，以期对实际生产起到一定的技术指导作用。

关键词：牵引支架；数值模拟；铸造工艺设计

前言：牵引支架在国外作为高速列车转向架的核心部件，它的铸造性能会极大程度地影响到高速列车的运行安全，因此要求它的铸件不但具有充分的力学性能而且不能出现缩孔，缩松和夹渣等铸造缺陷。考虑到减少产品缺陷，降低生产成本，提高生产效率，在实际规模生产产品之前，利用目前已经成熟的计算机技术来研究牵引支架铸造过程中可能存在的缺陷，部位及变化规律是十分必要的，以便给生产以技术指导。本论文通过运用以有限元法为基础的仿真分析软件MAGMAsoft对铸件充型及凝固过程进行了仿真分析，不断地调整工艺方案，重复仿真直到确定出最为合理的浇注系统方案。

一、铸件的组织特点

牵引支架的整体外形尺寸是440 mm×377 mm×359 mm.材料是铸钢G20Mn5 QT（QT是经调质后加工而成的）.化学成分如表1所示，另外需要合金元素的总含量得到保证，型砂为酯硬化水玻璃自硬砂且铸件毛坯重175 kg。牵引支架是一个复杂的结构件，它包括若干凸台，加强筋板，沟槽和底座。另外，铸件壁厚变化严重(9.8￣111.3 mm)，因而造成热节较高，可预料它在铸造时，将面临如下技术难点：铸件构造复杂，起模难度大，容易变形，铸件热节高，容易广产生疏松，缩孔寺等缺陷。

二、铸造工艺模拟分析

（一）浇注工艺方案

结合支架结构特征采用了侧注顶冒口浇注系统。同时根据生产经验为消除铸件可能产生的缩松现象，对某些特定位置进行冒口设计。

（二）对充型过程进行仿真

由它们的结构特征可以看出，相邻两连接位置处厚度差异很大，这就造成了钢液凝固到这些位置时因体积收缩而无法补充，并最终产生缩孔缺陷。要做到这一点，就必须采取一些必要措施加以完善。

当前研究认为解决缩孔，缩松等缺陷的有效途径是确保铸型内金属液依次固化，即先固化处获得较缓慢固化处补缩，较缓慢固化处获得冒口补缩并最终导致缩孔与缩松向冒口富集。因此设计3种工艺改进方案并对其进行模拟仿真以获得每种方案的缩松和缩孔分布的云图。方案1、加装冷铁、规格举例80mm×30 mm冷铁厚度加大至40 mm、方案2，将成形冷铁添加到原方案发生缩松和缩孔处，将原来90 mm X220 mm两冒口大小变更为0120 mm×155 mm，改变浇道位置。方案3，基本上保留了方案2冷铁布置，冒口大小，只是把方案2 0120 mm×155 mm的冒口改为Y100 mm×150 mm×130 mm。腰圆形冒口；改变2段相连圆柱形状；增设内浇道；内浇道位置向U形槽下壁面移动。方案1在缩孔位置只增加1块冷铁及增加冷铁厚度时，打坏2个冒口补缩，使缩松局部残留在铸件内部，起不到应有补缩效果，因而不能改善原浇注方案1, 3区缩松缺陷。受U形槽槽底冷铁影响，原方案区域2缩孔已消除，而两侧缩松现象再次出现，原方案4, 5号缩孔未见好转，因此该方案行不通。与方案1相比，方案2通过加大冒口断面尺寸及对应位置添加冷铁等措施使原方案区1, 3缩松得到显著改善，均向冒口集中，同时区2, 4, 5缩松得到改善，但是铸件内部仍然存在明显缩松现象，因此该方案也不够理想。方案三与前两方案相比较，基本上保持了原冷铁工艺的特点，只是进一步扩大铸件和冒口的有效接触区，从而提高冒口补缩效率，另外增设一个内浇道也有良好的作用。仿真结果表明：原方案在1, 2, 4, 5号位的缩松倾向较好地解决，在二号位的3号位的缺陷得到了明显的改善。因此，经过对比仿真模拟得出的各方案缩孔和缩松分布图可判定方案三是最优浇注方案。

（三）方案三的充型过程仿真

通过对方案3速度场模拟可以发现牵引支架充型全过程历时20 s左右，并可见金属液从0.8 s起由内浇道向型腔内充型，之后金属液不断向型腔内填充并向侧板腔内充液，液体充入底层之后，液面层随金属液不断向内流动而逐渐平缓升高，并在升高过程中始终保持与底面平行，10.4 s起向冒口内充型，这时型腔内部分杂质如氧化渣能够以排出冒口。另外，充型全过程金属液流动顺畅迅速，不飞溅且未形成容易涉入气体的涡流。这样既利于型腔内气体排出，又能有效地防止气孔及夹渣缺陷，同时对型壁，型芯冲刷效果不大。

三、产品实际生产过程

根据优化方案，依照一型2件工艺布置，模具测量外模和芯盒的尺寸，并投入试制。第一，外形。用酯硬化的水玻璃石英砂进行造型、制芯和水玻璃的加入量均控制在2.3%￣3‰之间。0，有机酯添加量为水玻璃的1～5﹪￣2 0﹪从硬化2～5～40 mm开始模具。砂芯和外模于起模前120~160℃预表干2 0~3 0 min；表干后将外模，砂芯全部刷涂醇基锆英粉漆一次，漆的波美度保持63±3级，点燃烘干备用。将砂型表面浮砂和涂料淤积清理干净后进行下芯料，下芯料后将上铸型和下铸型分别送入表干炉进行终表干处理，控制温度为150￣180℃表干时间约为30 min，出炉合箱浇注。第二，铸件的熔炼浇注。用中频感应电炉冶炼，同时施行炉底吹氩脱氧工艺以促进钢液纯净，并采用漏包浇注方式。牵引支架的铸钢件壁厚平均22 mm；浇注速度保持在18￣26 s之间；第三，铸件的后处理与检验。浇注后8 h开箱振动清砂和用氧乙炔割除浇口和冒口后再清洗打磨，同时做了磁粉探伤和射线探伤，全部达到验收的技术条件。铸件的调质热处理过程以淬火油作为冷却介质。铸件经精加工后，加工表面外观质量及磁粉探伤结果均得到证实，所得产品满足验收技术条件。

四、测试的结果

按照试制转量产的控制要求共完成47个牵引支架小批量生产，其中合格品45个，合格率达95%，满足预设的9 5％合格率指标。具体情形如下。具体研究内容如下：第一，牵引支架铸件X射线检测每套产品共布片22片，共统计了6套产品射线探伤检测结果，射线探伤等级实际都在2级以上， 1级位置可达8级以上，针对该结构薄壁件，得到如此致密度等级超过工艺设计期望。第二，在设计好浇注系统的基础上，使钢液充型顺畅，冒口区域气、渣上浮完全，铸件毛坯的外观质量具有较好的一致性，毛坯表面光滑平整，抛丸后铸件表面粗糙度可达圪30 nm，铸件精加工表面不存在目视缺陷且加工表面磁粉探伤等级为LM1-AM1~SM1级水。第三，小批量生产试制时报废的两件牵引支架铸件都是最后加工完成时关键加工面存在夹砂缺陷而造成产品报废。分析其报废是由于砂型部分紧实度不够或修复不到位，钢液浇筑冲刷时砂型断裂，撒落型砂给关键加工面带去夹砂缺陷。

结语：

文章以高速列车转向架核心零部件为研究对象，对其牵引3种铸造工艺方案进行研究，利用模拟软件对其进行模拟分析，利用模拟结果对缩孔和缩松等缺陷的出现部位进行预判和形成原因分析，经过改进后确定最佳工艺方案。实际测试时，根据之前MAGMA soft模拟推演时的各项参数，运行按工艺要求执行，使得测试结果能满足工艺参数要求，并最终得到内、外部件质量满足工艺要求的铸件。

参考文献：

[ 1 ] 赵娅. 发动机曲轴铸造缺陷的原因分析与优化[J].热 加工工艺，2 0 1 6 (8 ) : 247-249.

[ 2 ] 文 波 ，夏 志 单 ，季 珊 林 ，等 .复杂薄壁框类铝合金铸件工艺设计及数值模拟[J].特种铸造及有色合金， 2018. 38 ( 7 ) : 768-771.