混鐵水車主軸承體鑄造工藝的改進

付海昌，楊 軍

（1.大連機車車輛有限公司鑄鋼車間，遼寧大連 116021；2.大連交通大學材料科學與工程學院，遼寧大連 116028）

日本混鐵水車項目主軸承體鑄件質量要求較高，鑄件整體要求超聲波探傷，如果缺陷超過一定范圍鑄件予以報廢。

圖1為混鐵水車主軸承零件結構圖。該產(chǎn)品在前期生產(chǎn)試制中，在φ900 mm瓦口端面上的冒口根部出現(xiàn)嚴重的縮孔，期間雖對冒口尺寸進行調整但也沒有完全解決該缺陷，經(jīng)過復雜的焊修后的鑄件，在超聲波探傷中有2件不合格而導致報廢。針對上述出現(xiàn)的問題，經(jīng)過查閱相關資料和現(xiàn)場研究，認為該主軸承體為厚壁鑄件，由于鑄件壁厚過厚容易造成鑄件凝固順序發(fā)生變化，從而導致較大縮孔的產(chǎn)生，通過對主軸承體工藝采用Pro-e建模后用MAGMA模擬軟件進行凝固模擬，也證實了分析的結論。根據(jù)得出的結論對該主軸承體鑄造工藝進行改進，主要是對冒口進行調整，又采用模擬軟件進行模擬分析，最終確定了其工藝，解決了縮孔缺陷。

1 主軸承體的工藝設計思路

圖1 混鐵水車主軸承體零件結構

日本混鐵水車項目主軸承體零件重2 935 kg，鑄件重3 310 kg，整體以中心為對稱結構，形狀結構比較簡單，但是主要壁厚在100 mm以上，相交部位壁厚可達300 mm以上，其產(chǎn)品結構如圖1所示。

根據(jù)產(chǎn)品厚壁的結構，制定了工藝設計方案：工藝縮尺為20‰，加工量為10 mm，以寬度685 mm中心為分型分模面；為了避免鑄件變形在φ900 mm瓦口處設置兩道130 mm/160 mm×60 mm的梯形拉筋，由于瓦口高度較高，則該處采用砂芯成型，兩道拉筋在砂芯內做出；另外分型面處有兩個凹槽采用砂芯成型，其他特殊部位采用砂胎或活塊成型；澆注系統(tǒng)采用耐火磚管組合而成；鑄件凝固補縮采用冒口和冷鐵相結合的方案，由于該鑄件壁厚厚大，尤其是φ900 mm瓦口面和厚90 mm底座面相交部位更為厚大，極易在鑄件內部出現(xiàn)縮孔。最好的工藝措施是要盡可能保證鑄件同時凝固，需要在上型φ900 mm瓦口面和厚90 mm底座面上設置冒口，在下型φ900 mm瓦口面和厚90 mm底座面的底面和側面放置冷鐵，通過兩種工藝結合來保證鑄件內部致密程度，要能夠實現(xiàn)順序凝固。

2 主軸承體鑄造工藝的改進

2.1 原工藝方案生產(chǎn)試制情況

原工藝方案在上型φ900 mm瓦口面放置2個420 mm/460 mm×260 mm/300 mm×600 mm和1個440mm/480mm×260mm/300mm×600mm腰形明冒口，在厚90mm的底座面放置3個360 mm/400 mm×180/220 mm×600 mm的腰形明冒口，所有冒口下部鑄件部分均有補貼；在下型的底面和側面放置冷鐵。澆注系統(tǒng)為耐火磚管組對而成。澆冒口和冷鐵情況如圖2所示。

圖2 主軸承體原工藝方案冒口和冷鐵布置

按照原工藝方案進行了前期生產(chǎn)試制，其間生產(chǎn)了2件，澆注后的鑄件在進行冒口切割時發(fā)現(xiàn)440 mm/480 mm×260 mm/300 mm×600 mm的腰形冒口根部出現(xiàn)嚴重的縮孔缺陷，該縮孔深入至鑄件內部，經(jīng)過對缺陷的清理后部位體積很大，具體尺寸如圖3、圖4所示。

由圖3和圖4中圈示位置即為縮孔缺陷，可以看出該縮孔缺陷問題很嚴重，由于該產(chǎn)品是日本混鐵水車項目上的重要部件，因此對鑄件的質量要求嚴格，需要對鑄件加工面進行超聲波探傷，如果不合格客戶會拒收鑄件。針對該鑄件在質量檢查方面的特殊要求，對前期試制的2件鑄件的缺陷需要進行細致的焊修，雖能進行焊修，但是其工作量和材料成本非常大，而且焊修后的鑄件內部質量也存在一些問題，在后期的超聲波探傷中不能過關，這樣大大影響了該產(chǎn)品的生產(chǎn)進度和交貨時間。

圖3 主軸承體冒口根部缺陷大小

圖4 主軸承體冒口根部缺陷

2.2 主軸承體鑄造缺陷原因分析

針對該鑄件在前期試制中出現(xiàn)的鑄造缺陷問題，經(jīng)過分析初步確定了產(chǎn)生缺陷的原因，主要是以下幾方面：

1）鑄件結構的影響。該鑄件屬于厚壁鑄件，鑄件凝固區(qū)域的大、小，固然與合金的結晶溫度范圍的寬、窄密切相關，但也和鑄件中溫度場的變化有密切關系。當鑄件厚到一定程度時，厚壁件比薄壁件含有的熱量多得多，當厚壁件的液相邊界越向中心推移，鑄件內部與鑄件—砂型界面上的溫度差比薄壁件減小越多。結果，厚壁件橫截面上的溫度梯度比薄壁件就小得多，厚壁件的凝固區(qū)域則相應地增寬，補縮就很困難。

2）冒口設計不合理。在設計時可能是冒口尺寸有問題。冒口偏小，又加之冒口的斜度太小，而冒口所要補縮的鑄件厚大，局部過熱，凝固緩慢。因此在凝固過程中冒口沒有壓力差而先凝固，冒口內的金屬液無法對鑄件進行補縮而導致縮孔的形成。

3）冒口溫度過低。在鑄件瓦口處放置三個腰形冒口，而澆注系統(tǒng)設在另外兩個冒口處，這樣鋼水直接進入那兩個冒口使得溫度過熱，而該冒口的鋼水是最后進入的溫度相對較低，因此該冒口會先凝固發(fā)生了縮孔。

4）澆注的不合理。補澆冒口量少，只有約100mm左右，補澆的鋼水太少，沒有給冒口提高溫度，而且澆注該鑄件時補澆只有一次。

另外通過對前期鑄造工藝進行分析，同時查閱相關資料，認為前期工藝設計存在一定的不足。由于該主軸承體壁厚很厚，鑄件越厚，需要的補貼斜率越大。但是，根據(jù)實踐證明，最有效的方法是施以外部條件，改變其凝固方式，即：采用冷鐵激冷或強制冷卻，使厚壁件的凝固區(qū)域變窄，再加以適當?shù)拿翱诤脱a貼進行補縮，其效果最為明顯。

2.3 主軸承體首次工藝改進、生產(chǎn)試制和數(shù)值模擬

2.3.1 主軸承體首次工藝改進

通過對該主軸承體缺陷問題原因的分析，認為該工藝中的冒口尺寸不夠，補縮能力不足，不能保證鑄件的補縮，還有澆注后冒口中的鋼水溫度不夠，使得冒口補縮效果不好。因此需對原工藝進行調整，主要包括以下兩個方面：

對三個腰形明冒口中的中間冒口和冒口下面的補貼進行調整。冒口調換為φ350mm/φ440mm×750 mm明冒口，其補貼寬度隨冒口根部尺寸而增大，高度向下延長50 mm；其他冒口高度均提高到750 mm.

增加補澆冒口的鋼水量和次數(shù)。這次澆注只澆到冒口高度一半，然后從冒口進行補澆，澆滿后等待一段時間，然后再對其補澆。

改進方案確定后對其工藝進行調整，具體情況如圖5所示。

圖5 主軸承體首次工藝改進情況

2.3.2 主軸承體首次工藝改進后生產(chǎn)試制

按照改進的工藝方案生又生產(chǎn)試制了2件，隨后對鑄件進行冒口切割，結果又在φ350mm/φ440mm×750 mm明冒口的根部出現(xiàn)縮孔，該縮孔仍深入至鑄件內部，如圖6所示。

圖6 主軸承體改進工藝后冒口根部缺陷情況

此次生產(chǎn)的2件鑄件雖經(jīng)大量焊修，但在加工后的超聲探傷中因為內部存在大量缺陷和焊修缺陷，導致了這2件鑄件報廢。

2.3.3 主軸承體首次工藝改進數(shù)值模擬

為了了解鑄件的凝固過程和工藝情況，通過對首次改進工藝利用Pro-e建模軟件進行三維實體建模，運用MAGMA模擬軟件對其進行數(shù)值模擬分析，模擬結果如圖7所示。

圖7 主軸承體首次工藝改進模擬結果

通過圖7中的模擬結果可以看出此次工藝改進效果不是很好，在鑄件有冒口的部位都存在大的縮孔，這個結果和實際生產(chǎn)中所出現(xiàn)的縮孔缺陷相符，這為下一步工藝改進有了參考依據(jù)。

2.4 主軸承體再次工藝改進、數(shù)值模擬和生產(chǎn)試制

2.4.1 主軸承體再次工藝改進

通過首次工藝方案改進在實際生產(chǎn)和數(shù)值模擬過程的結果可以看出，即使增大了冒口的體積和冒口內的鋼水溫度還是不能解決縮孔。首次改進中只考慮了產(chǎn)生縮孔部位的鑄件厚大，認為增加補貼可以把前期產(chǎn)生縮孔的位置移到補貼中，而且冒口增大和補澆可以保證補縮，但是鑄件的實際凝固情況并不是想象那樣。

為了保證再次工藝改進的效果，需要對整個鑄件結構和工藝進行細致分析，一致認為在φ900 mm瓦口面和厚90 mm底座面相交部位鑄件過于厚大，采用2個腰形冒口無法滿足此處的補縮要求，因為兩個冒口把熱量分散，尤其是在厚90 mm底座面上的360 mm/400 mm×180 mm/220 mm×750 mm的明冒口在鑄件凝固之前先凝固，倒吸鑄件內的鋼水，而φ350 mm/φ440 mm×750 mm明冒口補縮能力也無法滿足，則在該冒口和鑄件內形成縮孔。

根據(jù)上述分析和現(xiàn)有模具情況認為還是在補縮的冒口上進行改進。經(jīng)過工藝討論提出下一步改進方案，圖8所示為改進后的工藝情況。

圖8 主軸承體再次工藝改進情況

此次改進是把φ900 mm瓦口面和厚90 mm底座面相交部位兩個腰形冒口改成一個方形明冒口，尺寸為350 mm/490 mm×410 mm/550 mm×800 mm，原來兩個腰形補貼也去除；在φ900 mm瓦口面上的2個腰形冒口尺寸改成300 mm/440 mm×450 mm/590mm×800mm，下部補貼也相應增加；在厚90mm底座面兩個冒口尺寸改為180 mm/320 mm×360 mm/500 mm×800mm，補貼尺寸不變；另外在φ900mm瓦口面下型內弧面和厚60 mm的肋上放置條形冷鐵，配合原來兩處放冷鐵部位使下型鑄件有好的激冷效果，保證上型冒口得到好的補縮條件。

2.4.2 主軸承體再次工藝改進后的數(shù)值模擬

由于首次工藝改進后運用MAGMA模擬軟件進行凝固模擬，其結果和實際生產(chǎn)基本相符，證明了數(shù)值模擬對鑄造生產(chǎn)很有幫助。為了驗證此次工藝改進后的鑄件凝固情況，在工藝改進方案后進行建模和數(shù)值模擬，以此結果來判定工藝改進情況。如果模擬結果達到預期效果，即對模具進行調整和生產(chǎn)試制；如果模擬結果不理想，還需對工藝繼續(xù)進行改進。此次工藝改進后的模擬結果如圖9所示。

通過圖9中的模擬結果可以看出此次工藝改進效果比較理想，在鑄件內部和冒口根部存在分散小的缺陷，較前次模擬結果有了很大的改觀，另外產(chǎn)生缺陷部位多集中在冒口附近，如果在實際生產(chǎn)中采用補澆冒口和加放鉻鐵礦砂等手段即可進一步消除其缺陷，因此一致通過采用該工藝方案生產(chǎn)。

2.4.3 主軸承體再次工藝改進后生產(chǎn)試制

按照新的工藝方案對模具進行調整，隨后又試制澆注了2件，待對鑄件切割冒口后觀察沒有再出現(xiàn)縮孔缺陷，清理干凈后的鑄件對其放置冷鐵部位進行磁粉探傷后也沒有發(fā)現(xiàn)裂紋，經(jīng)過機械加工后進行超聲波的探傷沒有發(fā)現(xiàn)嚴重的缺陷，探傷結果符合客戶要求，保證了鑄件按時交貨，此次改進達到了預期的效果。

圖9 主軸承體再次工藝改進數(shù)值模擬

3 結論與建議

3.1 結論

1）對于結構簡單、壁厚厚大和鑄造質量要求高的大型鑄鋼件，工藝設計時需要考慮周全，冒口的設計尤為重要，另外通常的有效補縮距離概念在這里也不適用，應該以冒口補縮和厚壁部位的自補縮為基礎混合設計冒口位置及尺寸。

2）做為鑄鋼件工藝設計的關鍵部分，冒口的設計，距離較近的冒口相互之間是存在影響的。改變其中一個冒口，則必然影響另一個冒口的補縮范圍。

3）通過對MAGMA模擬軟件在主軸承體工藝改進中的應用，證明模擬結果與實際生產(chǎn)較相符，可以減少試制次數(shù)也為其他類似產(chǎn)品的工藝設計及實際生產(chǎn)提供了借鑒意義。

3.2 建議

在鑄造領域對實際生產(chǎn)經(jīng)驗掌握不夠的年輕工藝師應該學習鑄造模擬軟件應用技術，對于設計后的工藝進行模擬分析來提高鑄造工藝的可行性。

［1］侯英瑋.材料成型工藝［M］.北京：中國鐵道出版社,2002.

［2］李弘英，趙成志.鑄造工藝設計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005.

［3］中國機械工程學會鑄造分會.鑄造手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2003.

［4］丁根寶.鑄造工藝學［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1994.

［5］柳吉榮，李新陽.鑄造工（高級）［M］.北京：機械工業(yè)出版社.2006.