酯硬化砂制造沖擊座類鑄鋼件工藝研究

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)，此處縮孔缺陷通過工藝措施很難消除，并且采用冒口過大將造成工藝出品率過低，需要對(duì)凝固過程進(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 沖擊座澆注過程分析

流場(chǎng)是反映金屬液在鑄造型腔中的流動(dòng)過程，也就是金屬液在型腔中的充填順序，同時(shí)可以看到充填過程中金屬液的溫度變化。根據(jù)充型過程流場(chǎng)的分析可以發(fā)現(xiàn)鑄件充型過程中產(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，因此從充型過程模擬結(jié)果來看，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 沖擊座凝固過程分析

凝固過程的溫度場(chǎng)及液相分布場(chǎng)反映的是凝固過程中鑄件各部位的溫度變化及液相變化，通過對(duì)鑄件的凝固過程模擬，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）凝固過程液相分析

凝固過程液相分析如圖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）凝固過程溫度分析

沖擊座凝固過程溫度分析結(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，說明鑄件可得到充分補(bǔ)縮。

圖4 沖擊座凝固過程液相分析

圖5 沖擊座凝固過程溫度分析

3）定量縮孔分析

凝固過程的定量縮孔分析反映了鑄件各部位在凝固過程中液相分布情況，據(jù)此可判斷出在凝固過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，體積過大，發(fā)氣量很大，在澆注過程中氣體排不出去，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程中，在砂芯中放置焦炭以提高透氣性，并且焦炭在澆鑄過程中不產(chǎn)生氣體，也可降低氣體來源；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，增加澆注過程中的排氣能力。

4.2 縮孔、縮松

在試制過程中發(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.