EMD軸箱鑄鋼工藝研究

夏少華，朱正峰，徐貴寶

（南車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司，江蘇常州 213011）

美國國Electric Motive Diesel（EMD）公司為世界知名的內(nèi)燃機車生產(chǎn)廠商，委托我公司為其提供軸箱鑄鋼件成品。軸箱作為轉(zhuǎn)向架重要的零部件之一，將輪對和構(gòu)架聯(lián)系在一起，使輪對沿鋼軌的滾動轉(zhuǎn)化為車輛沿線路的平動，承受車輛的重量，傳遞各方向的作用力。EMD軸箱要求材質(zhì)為EMS15（EMD公司內(nèi)部材料標準，性能要求相當于國內(nèi)牌號ZG230-450，但C、Si、Mn的含量稍有不同）。鑄件壁厚差異大，結(jié)構(gòu)與國內(nèi)同類型產(chǎn)品相比更加復(fù)雜[1]（見圖1），對鑄造缺陷和外觀質(zhì)量都有嚴格規(guī)定。鑄造樣件要進行整體射線探傷，沒有關(guān)鍵與非關(guān)鍵部位區(qū)分，內(nèi)部質(zhì)量必須至少達到AST ME 446/E 186的三級要求，樣件階段不允許焊補，鑄造缺陷超標，鑄件只能報廢，因此試制開發(fā)階段對鑄造工藝要求很高。

計算機模擬凝固技術(shù)為鑄造工藝的合理設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)和實施依據(jù)，許多優(yōu)秀的商用化鑄造模擬軟件如MAGMASOFT、PROCAST等提供了對鑄件溫度場、凝固和缺陷預(yù)測的動態(tài)模擬，被廣泛應(yīng)用于鑄造工藝設(shè)計的驗證與優(yōu)化[2-4]。

本公司擁有MAGAMASOFT模擬仿真平臺，可以對鑄件溫度場、凝固和缺陷預(yù)測的動態(tài)模擬，依據(jù)凝固模擬結(jié)果，優(yōu)化鑄造工藝。從2010年9月開始試制該產(chǎn)品以來，采用MAGAMASOFT模擬軟件對該鑄件進行了不同工藝條件下的凝固和流動動態(tài)分析并預(yù)測缺陷，優(yōu)化鑄造工藝，成功生產(chǎn)了軸箱鑄鋼件，經(jīng)射線探傷檢查，鑄件內(nèi)部缺陷達到技術(shù)要求，力學(xué)性能和金相組織都符合要求，目前鑄件已通過客戶首件鑒定。

1 鑄件分析與工藝設(shè)計

如圖1所示，該零件為對稱結(jié)構(gòu)，凈重156 kg，高度為515 mm，最大壁厚50.8 mm，最小壁厚12 mm。采用中頻感應(yīng)爐熔煉，利用水玻璃酯硬化砂手工造型。軸箱中部大開檔平面一側(cè)朝上，從肩部圓孔中心位置分型，兩箱造型。通過對該零件結(jié)構(gòu)的進一步分析，發(fā)現(xiàn)最大壁厚與最小壁厚之間缺乏均勻過渡，給鑄件補縮帶來困難。根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)特點，初步設(shè)計了工藝方案如圖2所示，采用底注方式，頂部大冒口，內(nèi)開檔環(huán)形補貼。為了防止中間內(nèi)開檔發(fā)生變形，設(shè)計了一根直徑為25 mm的防變形筋。根據(jù)鑄件重量，確定澆注時間，根據(jù)經(jīng)驗公式[5]，確定澆注時間為10 s，內(nèi)澆道總面積2940 mm2，采用兩道內(nèi)澆道。澆注系統(tǒng)設(shè)計成開放式系統(tǒng)，直澆道、橫澆道和內(nèi)澆道的比例為1∶1∶1.1，由內(nèi)澆道面積分別計算出橫澆道和直澆道的面積。

圖1 EMD軸箱示意圖

圖2 EMD軸箱初始鑄造工藝示意圖

2 模擬計算與工藝優(yōu)化

在澆注溫度為1580℃時，對初始工藝進行了凝固模擬，鑄件的熱節(jié)大小和分布如圖3 a）所示，在中間大冒口的根部，左側(cè)內(nèi)檔搭子處，形成明顯的熱節(jié)。對應(yīng)的熱節(jié)處預(yù)測到縮松，如圖3 b）、c）所示，可以明顯發(fā)現(xiàn)，頂部明冒口的補縮能力不足，縮松已延伸到鑄件上。

為了改善熱節(jié)的分布并減少縮松，對工藝方案進行了改進：首先采用保溫冒口代替了所有的明冒口，提高補縮效率；其次在兩側(cè)內(nèi)襠處加了外側(cè)補貼及側(cè)冒口，來補縮內(nèi)襠及搭子處的縮松。對改進工藝進行模擬計算的結(jié)果如圖4、圖5所示。首先，原工藝中分散在鑄件內(nèi)部的熱節(jié)均轉(zhuǎn)移至冒口內(nèi)，鑄件內(nèi)部已不存在明顯的熱節(jié)；再次預(yù)測縮松缺陷的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，更換保溫冒口后大大提高了補縮效率，原來延伸至鑄件本體上的縮松被限制在冒口內(nèi)部，保證了鑄件的內(nèi)部質(zhì)量。對兩種工藝方案的溫度場分布進行了模擬，如圖4所示：初始方案在左側(cè)內(nèi)開檔的搭子處形成了局部過熱區(qū)，同時其上部由于布置了冷鐵導(dǎo)致優(yōu)先凝固，沒有冒口可以對該區(qū)域進行補縮，易形成縮松。改進后的方案顯示側(cè)冒口的加入改變了這一區(qū)域的溫度場分布，使過熱區(qū)消失，鑄件整體溫度梯度均勻，形成了由下至上順序凝固狀態(tài)。圖5 d）顯示原先的縮松缺陷減少且向補貼內(nèi)集中，但仍然處在補貼與鑄件交界的危險區(qū)域，為了避免補貼根部出現(xiàn)縮松，實際造型過程中在相應(yīng)位置打鉻鐵礦砂，利用激冷作用徹底消除該處的縮松缺陷。鑄件實物對應(yīng)位置并未發(fā)現(xiàn)縮松也證明了該方案的可行性（如圖6所示）。

圖3 熱節(jié)與縮松預(yù)測

圖4 兩種工藝方案的溫度場比較

圖5 加入補貼與保溫冒口后的熱節(jié)與縮松預(yù)測

圖6 補貼切割后根部圖片

3 結(jié)果分析

根據(jù)鑄造凝固模擬分析，設(shè)計了EMD軸箱鑄造工藝，工藝出品率為65%。經(jīng)清理拋丸后，目測表面無缺陷，整體射線探傷未發(fā)現(xiàn)超過客戶規(guī)定的鑄造缺陷，在此基礎(chǔ)上按上述工藝生產(chǎn)了四件，實物毛坯見圖7。各項檢測均合格，尺寸準確，輪廓清晰，完全滿足了客戶的要求。

4 總 結(jié)

采用鑄造模擬軟件MAGMASOFT成功設(shè)計了EMD軸箱鑄鋼件的鑄造工藝，一次試制成功。不僅減輕了工藝人員的設(shè)計工作量，提高了工作效率，而且降低了產(chǎn)品的研發(fā)成本，縮短了研發(fā)周期。

圖7 EMD軸箱鑄造毛坯實物

［1］劉萬選，王紅，商躍進.Y25型新型轉(zhuǎn)向架軸箱強度性能分析［J］.蘭州交通大學(xué)學(xué)報，2010，29（4）：115-118.

［2］張秀偉，康秀紅，夏立軍，等.大型鋼錠凝固數(shù)值模擬與試驗研究［J］.鑄造，2010，59（3）：276-279.

［3］邱桂永，韓建明，楊智勇，等.凝固模擬參數(shù)設(shè)置合理性的檢驗方法研究及應(yīng)用［J］.鑄造，2007，56（9）：952-955.

［4］肖恭林，徐貴寶，徐建國.GE鉤尾框鑄造工藝優(yōu)化設(shè)計［J］.機車車輛工藝，2008，3：29-31.

［5］李弘英.鑄鋼件的凝固和致密度的控制［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1985.