電渣車支框工藝設(shè)計(jì)及優(yōu)化

摘要：支框是電渣車渣罐的重要支撐部件，在渣罐傾翻使用過程中支框要承受較大的扭剪力，況且其工作環(huán)境十分惡劣，因此對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的要求較高。本文通過對(duì)支框的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、圖紙技術(shù)要求、使用狀況等方面進(jìn)行分析，通過合理設(shè)計(jì)工藝工裝和鋼水熔煉工藝等措施，解決了支框軸頭裂紋、粘砂等缺陷，保證鑄件的內(nèi)外在質(zhì)量，提高了生產(chǎn)效率。此次工藝優(yōu)化對(duì)我公司開拓市場(chǎng)和創(chuàng)造品牌產(chǎn)品具有十分重要的意義。

關(guān)鍵詞：支框；工藝；裂紋

1.支框使用狀況簡(jiǎn)述、技術(shù)要求及前期生產(chǎn)總結(jié)

1.1.使用簡(jiǎn)況及前期試制生產(chǎn)總結(jié)

支框主要安裝在火車車架上，起固定和支撐渣罐的作用，材質(zhì) ZG270-500，其外形尺寸為5640×3750×785mm，主要壁厚為80mm，毛重為12800kg，本次為小批量生產(chǎn)。在渣罐傾翻時(shí)承受較大的扭剪力，使用時(shí)容易產(chǎn)生變形和斷裂，因此鑄件不允許有氣孔、砂眼、裂紋、冷隔等鑄造缺陷，并且具有較好的耐高溫及抗脆性斷裂性能（見圖1）。

圖1 支框使用狀況示意圖

1.2.主要技術(shù)要求

1.2.1.化學(xué)成分要求（見下表1）：

表1 支框化學(xué)成分要求

1.2.2.力學(xué)性能?？估瓘?qiáng)度≥500Mpa。

1.2.3.金相組織。晶粒均勻細(xì)小的鐵素體和珠光體。

1.2.4.熱處理。支框鑄造后需進(jìn)行整體退火處理，消除鑄造內(nèi)應(yīng)力改善機(jī)械力學(xué)性能

1.3.前期生產(chǎn)總結(jié)

經(jīng)過前期的試制生產(chǎn)的4件支框情況發(fā)現(xiàn)，主要存在以下幾點(diǎn)問題：

1.3.1.冒口下“縮孔”缺陷。主要是冒口的補(bǔ)縮能力不足，導(dǎo)致冒口下存在深度約50mm左右的“縮孔”缺陷。

1.3.2.支框腰部存在裂紋。支框在進(jìn)行體收縮時(shí)的內(nèi)應(yīng)力較大，導(dǎo)致最后凝固的內(nèi)澆道部位產(chǎn)生裂紋缺陷。

1.3.3.軸頭裂紋裂紋。工藝設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致。

2.支框鑄造工藝方案及工藝參數(shù)的最終確定

2.1.工藝分析

2.1.1.支框的幾何尺寸較大，屬于橢圓框架結(jié)構(gòu)，在框架連接處的熱節(jié)位置易產(chǎn)生裂紋，增加了鑄造難度。在軸頭和腰部是力矩傳遞和受力部位，其內(nèi)在質(zhì)量的好壞將直接影響支框的整體壽命；

2.1.2.支框要與渣罐相配合組裝，所以幾何尺寸必須嚴(yán)格控制在公差范圍內(nèi)；

2.1.3.設(shè)計(jì)專用工裝，以提高生產(chǎn)效率，節(jié)約鑄造造型和修復(fù)成本；

2.1.4.重量的允許偏差為理論重量的3%～5%，通過使用合理的鑄件伸尺和工藝參數(shù)設(shè)計(jì)、精心控制各個(gè)重點(diǎn)環(huán)節(jié)、精確計(jì)算鋼水澆注量等措施加以控制，生產(chǎn)出幾何尺寸、外觀質(zhì)量、技術(shù)要求質(zhì)量的合格鑄件。

2.2.生產(chǎn)難點(diǎn)及主要技術(shù)攻關(guān)——軸頭裂紋產(chǎn)生的原因分析及解決措施

2.2.1.裂紋產(chǎn)生原因分析

在生產(chǎn)中遇到了軸孔及腰部產(chǎn)生裂紋缺陷得技術(shù)難題，此問題嚴(yán)重影響支框的使用壽命，經(jīng)討論分析，主要由于以下原因所造成：

2.2.1.1.支框軸頭壁厚，冒口設(shè)計(jì)太小。支框軸頭熱節(jié)位置集中于冒口下的鑄件本體上，成為最后凝固部位，受先凝固部位的拉應(yīng)力影響，其本身強(qiáng)度不足支撐拉應(yīng)力而導(dǎo)致鑄件凝固過程中開裂；

2.2.1.2.澆注溫度太高。金屬液在接近凝固溫度時(shí)，由于收縮量較大，強(qiáng)度較低，塑性較差，鑄件不能自由收縮易產(chǎn)生熱裂紋；

2.2.1.3. 支框腰部裂紋位于水口下方，主要是由于水口位置溫度高，最后凝固，受拉應(yīng)力而開裂；

2.2.2.裂紋解決措施

2.2.2.1.軸孔上部腰圓冒口尺寸設(shè)置為Db300×500×550㎜，以利于補(bǔ)縮；

2.2.2.2.中間芯鐵全部綁2層草袋，以增加砂型退讓性；

2.2.2.3.軸孔孔芯中間內(nèi)空，制芯時(shí)在芯內(nèi)加入φ45㎜的蛇口棒作為芯鐵；

2.2.2.4.提高澆注速度，把φ55㎜孔徑的鋼水包鑄口磚加工到φ65㎜后使用；

2.2.2.5.澆注溫度高是支框產(chǎn)生裂紋的主要原因之一，因此要嚴(yán)格控制澆注溫度，漏包澆注溫度控制在1520～1530℃。

2.3.鑄造工藝方案確定

2.3.1.鑄造方法選擇

通過對(duì)支框的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，決定采用專用砂箱+專用金屬模的鑄造造型工藝。

2.3.1.1.設(shè)計(jì)專用砂箱

專用砂箱的設(shè)計(jì)思路：

2.3.1.1.1.砂箱隨型，保證四周吃砂量至少150mm以上；

2.3.1.1.2.內(nèi)澆道在砂箱上設(shè)計(jì)出，分兩道從中間部位返向鑄件；

2.3.1.1.3. 砂箱要有足夠的強(qiáng)度，底箱封死，防止鑄件跑火。

2.3.2.設(shè)計(jì)金屬模：金屬模伸尺選用25‰，軸頭部位鑄造圓角相應(yīng)的增大，為保證起模斜度設(shè)計(jì)正拔模斜度，軸頭兩側(cè)15mm，端部20mm，腰部15mm，另在模具上設(shè)置活塊固定槽，槽深10mm。

2.3.3.型砂選用CO2硬化水玻璃砂。型砂配比為：石英砂100%+水玻璃12～14%。

2.3.4.涂料選用醇基鋯英粉涂料，造型后至少涂刷2遍以上，保證涂料層厚度不低于2㎜。

2.4.鑄造工藝參數(shù)設(shè)定

2.4.1.凝固原則：凝固方式采用順序凝固。

2.4.2.分型面確定（其中分型負(fù)數(shù)為10mm）

2.4.3.澆注系統(tǒng)計(jì)算及參數(shù)設(shè)定

①、澆注時(shí)間確定

2.4.4.冒口設(shè)計(jì)

2.4.5.冷鐵的放置

在鑄件的熱節(jié)位置放置內(nèi)冷鐵可加快鑄件冷卻速度，取得組織致密鑄件；在軸頭和熱節(jié)外部放置外冷鐵可以消除熱節(jié)處的縮孔和縮松，減少裂紋的產(chǎn)生。

3.重點(diǎn)過程的控制要點(diǎn)

3.1.模樣制作

3.1.1.按25‰的伸尺制作金屬模型；按照12‰伸尺制作EPS實(shí)樣及活塊，按照工藝保證尺寸精度和拔模斜度。

3.1.2.在外皮實(shí)樣處刻活塊2的位置槽深10mm，軸頭隨型掏空保證壁厚80mm；

3.2.造型

3.2.1.中間芯鐵綁兩層草袋，提高砂芯退讓性；

3.2.2.為保證起模及支框兩頭端面加工余量，造型時(shí)兩頭端面貼15～20㎜的泡沫；

3.2.4.冒口位置準(zhǔn)確、大小合適，保證鑄件補(bǔ)縮通道暢通；

3.2.5.砂型的緊實(shí)度和透氣性合適，涂料涂刷均，且厚度至少1.5mm。

3.3.鋼液的冶煉及澆注

3.4.鑄件的清整

澆注完畢3小時(shí)后打蓋箱與中圈之間的卡子，然后吊蓋箱，使蓋箱松動(dòng)，以防鑄件收縮受阻，48小時(shí)后熱打箱。高溫退火后切割冒口。

3.5. 熱處理

支框毛坯的組織晶粒粗大并不均勻，且存在殘余內(nèi)應(yīng)力，因此需整體退火，獲得晶粒均勻細(xì)小的鐵素體和珠光體組織以達(dá)到細(xì)化晶粒，消除內(nèi)應(yīng)力，改善機(jī)加工性能。。

組織說明：鑄鋼件加熱到Ac3以上50～70℃溫度，完全奧氏體化后，爐冷分解成細(xì)小的鐵素體和珠光體，白色為等軸的鐵素體和黑色為珠光體，珠光體呈網(wǎng)狀分布。

4.總結(jié)

4.1.造型時(shí)采用金屬型模具有效的保證了支框輪廓尺寸的穩(wěn)定性，筋板，法蘭采用EPS活塊簡(jiǎn)化了造型工藝。采用專用砂箱造型，提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)節(jié)約型砂，有效降低生產(chǎn)成本；

4.2.通過控制澆注溫度，放置內(nèi)外冷鐵，及松箱、打箱時(shí)間的控制，有效的解決了軸頭裂紋問題；

4.3.通過電渣車支框的鑄造生產(chǎn)，為后續(xù)重大異型鑄件的生產(chǎn)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，為我公司開拓市場(chǎng)和創(chuàng)造品牌產(chǎn)品具有十分重要的意義。

作者簡(jiǎn)介：陳軍 （1982—），男，漢族，四川攀枝花人，蘭州理工大學(xué)材料成型及控制工程專業(yè)鑄造方向，助理工程師，主要從事鑄造工藝設(shè)計(jì)及質(zhì)量控制工作。