CRH380A箱蓋低壓金屬型鑄造工藝研究

張　章，王沛培，陳紅圣，查明輝，徐貴寶，董　雯（中國中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司，江蘇常州　213011）

·消失模與V法鑄造·

CRH380A箱蓋低壓金屬型鑄造工藝研究

張章，王沛培，陳紅圣，查明輝，徐貴寶，董雯
（中國中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司，江蘇常州213011）

基于Magma模擬軟件和工藝試制結(jié)果，優(yōu)化了CRH380A箱蓋低壓金屬型鑄造工藝，分析了模具溫度、充型速度和澆鑄溫度對鑄件凝固過程的影響，得到了可行的CRH380A箱蓋低壓鑄造工藝并獲得了合格樣件。本文也為其他鋁合金鑄件低壓金屬型鑄造工藝研究提供了有益的參考。

低壓鑄造；金屬型；鑄造模擬

金屬型低壓鑄造結(jié)合了低壓鑄造和金屬型鑄造的優(yōu)點(diǎn)，相比傳統(tǒng)的砂型低壓鑄造具有生產(chǎn)效率高、環(huán)境污染小、生產(chǎn)成本低、表面光潔度好、鑄件力學(xué)性能高等優(yōu)勢，然而由于金屬液降溫快造成流動性和補(bǔ)縮性差以及金屬型透氣性差造成排氣困難，容易產(chǎn)生縮松、氣孔等鑄造缺陷，使得復(fù)雜薄壁鑄件的低壓金屬型鑄造工藝設(shè)計(jì)具有非常大的挑戰(zhàn)性［1，2］。本文利用Magma模擬軟件，結(jié)合多次工藝試制結(jié)果，對CRH380A箱蓋低壓金屬型鑄造工藝進(jìn)行了研究，獲得了CRH380A箱蓋低壓金屬型鑄造工藝參數(shù)，為CRH380A箱蓋的批量生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

1　低壓金屬型鑄造工藝設(shè)計(jì)

CRH380A箱蓋采用ZL101A合金鑄造，技術(shù)規(guī)范中要求鑄件關(guān)鍵部位（法蘭、通氣器、清洗機(jī)接口）內(nèi)部質(zhì)量滿足JIS H 0522：1999質(zhì)量等級二級要求，同時還需經(jīng)過染色浸透探傷確保箱蓋重要部位的內(nèi)部質(zhì)量，這種近乎零缺陷的技術(shù)要求為金屬型低壓鑄造工藝設(shè)計(jì)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

在CRH380A齒輪箱箱蓋低壓砂型鑄造的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了低壓金屬型鑄造工藝，如圖1所示。

圖1原CRH380A箱蓋低壓鑄造工藝

對原低壓砂型工藝采用Magma軟件中低壓金屬型模塊進(jìn)行CAE模擬，模擬結(jié)果如圖2所示。模擬的結(jié)果表明：鑄件的熱節(jié)主要在清洗機(jī)接口以及靠近清洗機(jī)接口的把手根部位置等厚大部位，另外在前期試制時發(fā)現(xiàn)法蘭頂部及兩端等較多部位均存在疏松超標(biāo)，無法滿足射線探傷技術(shù)要求。

圖2　原工藝凝固縮松傾向CAE模擬結(jié)果

低壓金屬型鑄造工藝的難點(diǎn)主要在于金屬模冷卻速度快，補(bǔ)縮有效距離短，而且金屬模的溫度場沒有梯度性，因此難以實(shí)現(xiàn)自下而上的順序補(bǔ)縮。CRH380A箱蓋結(jié)構(gòu)自上而下壁厚變化大，法蘭內(nèi)腔壁厚薄，且為了外觀質(zhì)量，把手處通過球鐵活塊成型，這些條件決定了在金屬型條件下建立合理的溫度場是非常困難的。在法蘭頂部采用發(fā)熱冒口補(bǔ)縮彌補(bǔ)金屬型底部澆口補(bǔ)縮線程短的缺點(diǎn)，構(gòu)建了一個底部和頂部熱、中間冷的溫度場結(jié)構(gòu)，通過發(fā)熱冒口和澆注系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對中間補(bǔ)縮的順序。最終的CRH380A箱蓋低壓金屬型鑄造工藝如圖3所示。

圖3　優(yōu)化后的CRH380A箱蓋低壓金屬型鑄造工藝

利用Magma軟件對優(yōu)化后的CRH380A箱蓋金屬型低壓鑄造工藝進(jìn)行模擬，圖4是該工藝鑄件的凝固縮松傾向結(jié)果，從圖中可以看出，相比原工藝鑄件上法蘭上以及清洗機(jī)接口位置的縮松消失，能夠滿足規(guī)定的技術(shù)要求。

2　低壓金屬型鑄造工藝參數(shù)

在金屬型低壓鑄造過程中存在著許多易變因素，這些因素往往影響鑄件的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，其中模具溫度、充型速度和澆注溫度是金屬型低壓鑄造最重要的工藝參數(shù)。

2.1模具溫度對充型凝固過程的影響

模具溫度是指澆注前模具的預(yù)熱溫度及模具投入正常澆注后的工作溫度。模具預(yù)熱溫度是保證模具正常工作，得到合格鑄件的首要條件。為了說明模具溫度對鑄件凝固縮松傾向的影響，利用Magma軟件對原CRH380A箱蓋低壓金屬型鑄造工藝進(jìn)行了模擬，模擬時僅改變模具溫度而其他參數(shù)不變。圖5所示是模具溫度分別為200℃和350℃時鑄件的凝固縮松傾向圖，可以看出模具溫度從200℃提高到350℃時，鑄件上的凝固縮松傾向基本消除，表明澆注時的模具溫度對鑄件的凝固縮松傾向有非常顯著的影響。

圖4優(yōu)化后的CRH380A箱蓋低壓金屬型鑄造工藝凝固縮松傾向模擬結(jié)果

圖5　改變模具溫度后原CRH380A箱蓋低壓金屬型鑄造工藝凝固縮松傾向模擬結(jié)果

對金屬型鑄造來講，由于模具龐大，模具采用電加熱，其加熱極限溫度大約在300℃.由于模具壁厚不均勻，模具的均熱是很困難的，要實(shí)現(xiàn)模具具有合理的溫度梯度更不容易。另外低壓金屬型鑄造過程是一個周期性循環(huán)生產(chǎn)的過程。每一生產(chǎn)周期又可分為不同的操作階段，在各操作階段模具被動地加熱和冷卻。經(jīng)過一定周期循環(huán)后，每個周期中模具吸收的總熱量與釋放的總熱量相當(dāng)，達(dá)到熱平衡狀態(tài)。實(shí)際生產(chǎn)時，為減少模具的激冷速度，延緩鑄件結(jié)殼時間，便于增壓補(bǔ)縮，在澆注時要求模具預(yù)熱溫度在250℃以上，才能保證連續(xù)澆注時模具溫度能保持在200℃～250℃，這是獲得合格鑄件的前提。

2.2充型速度對凝固過程的影響

鑄件的很多缺陷都可能在充型過程中產(chǎn)生，例如金屬液填充型腔的狀態(tài)是否良好，是否存在大量的卷氣、渦流等。低壓砂型鑄造時為了保證充型平穩(wěn)，避免卷氣和憋氣，在保證鑄件質(zhì)量的前提下，要求充型速度盡可能慢。相比砂型低壓鑄造，由于金屬型激冷速度快，充型速度作為低壓鑄造基本的工藝參數(shù)對鑄件質(zhì)量起著更為重要的作用。充型速度過小會造成金屬液在充型過程中的溫度快速下降，出現(xiàn)金屬液還未充滿型腔的時候金屬液就開始凝固，鑄件會產(chǎn)生大量的液相孤立區(qū)和縮孔縮松缺陷，而速度過快時如果排氣不暢，就會發(fā)生憋氣、卷氣等，引起鑄造缺陷的產(chǎn)生。

圖6　改變充型速度后CRH380A箱蓋低壓金屬型鑄造工藝凝固縮松傾向模擬結(jié)果

圖6是用Magma模擬得到的兩種充型速度時鑄件的凝固縮松傾向，模擬時僅改變充型速度而其他參數(shù)不變。從圖中可以看出充型時間從35 s變?yōu)?0 s時，消除了鑄件法蘭上的縮松，與工藝試驗(yàn)的結(jié)果是一致的。因此在不影響排氣的前提下，金屬型鑄造的充型速度應(yīng)盡可能快，實(shí)際澆注時確定的最佳充型為時間25 s.

2.3澆注溫度對凝固過程的影響

澆注溫度是低壓金屬型鑄造的重要工藝參數(shù)之一。在低壓砂型鑄造中，確定澆注溫度的原則與普通澆注的情況一致，即在保持鑄件成形的前提下，以較低的澆注溫度為宜，這樣可以減小液態(tài)金屬的吸氣和收縮，使鑄件產(chǎn)生氣孔、縮孔、縮松缺陷的機(jī)會減少，同時使鑄件的組織比較致密。另外鋁液是在壓力作用下充型的，因而充型能力高于一般重力澆注，而且低壓砂型鑄造時液態(tài)金屬熱量散失較慢，所以其澆注溫度可比一般的鑄造方法低10℃～20℃.但這對于增壓補(bǔ)縮敏感的低壓金屬型鑄造就不一定合理。圖7是僅改變澆注溫度而其他參數(shù)不變時，利用Magma軟件模擬得到的CRH380A箱蓋低壓鑄造工藝凝固縮松傾向結(jié)果，從圖中可以看出澆注溫度從710℃提高到740℃時，鑄件通氣器下方法蘭及其他個別位置上的凝固縮松傾向有所減少。這主要是由于提高澆注溫度，延長了鑄件在液態(tài)停留時間，為增壓補(bǔ)縮創(chuàng)造條件。然而澆注溫度的變化范圍有限，實(shí)際澆注時，澆注溫度為大約比低壓砂型鑄造的高20℃～30℃，即730℃～740℃為佳。

圖7　改變澆注溫度后CRH380A箱蓋低壓金屬型鑄造工藝凝固縮松傾向模擬結(jié)果

3　試制結(jié)果

在試制過程中，結(jié)合模擬的結(jié)果，通過合理的調(diào)整模具溫度、澆注速度和鋁液溫度等工藝參數(shù)，切實(shí)有效解決了原先法蘭上和注油孔存在的多處縮松，確保了箱蓋毛坯達(dá)到射線探傷JIS H 0522二級的技術(shù)要求。經(jīng)解剖取樣，低壓金屬型CRH380A箱蓋的力學(xué)性能優(yōu)異，T7熱處理后其本體上不同位置試樣的抗拉強(qiáng)度均超過270 MPa，延伸率均超過5%，遠(yuǎn)超過低壓砂型箱蓋的本體力學(xué)性能，同時鑄件外觀質(zhì)量相比原低壓砂型箱蓋明顯提升，充分體現(xiàn)了金屬型低壓鑄造的優(yōu)勢。

4　結(jié)論

本文基于Magma模擬軟件和工藝試制結(jié)果，優(yōu)化了CRH380A低壓金屬型鑄造工藝，分析了模具溫度、充型速度和澆注溫度對鑄件凝固過程的影響，得到了可行的CRH380A齒輪箱箱蓋金屬型低壓鑄造工藝參數(shù)，主要包括：（1）澆注時模具的溫度應(yīng)在250℃以上，且越高越好；（2）在不影響排氣的前提下，澆注的充型時間越短越好，CRH380A箱蓋的澆注充型時間為25 s；（3）金屬型低壓鑄造的溫度比砂型低壓鑄造的溫度高，生產(chǎn)時控制的鋁液溫度范圍為730℃～740℃.

［1］張立強(qiáng)，李落星，朱必武.基于數(shù)值模擬的鋁合金薄壁件金屬型低壓鑄造工藝設(shè)計(jì)［J］.鑄造技術(shù)，2008，29（09）：1178-1181.

［2］王狂飛，王凱，王有超，米國發(fā).某缸體鋁合金金屬型低壓鑄造工藝研究［J］.金屬鑄鍛焊技術(shù)，2012，41（19）：43-44.

［3］劉宏磊，趙志強(qiáng)，譚學(xué)菊，劉宏峰.汽車鋁合金輪轂重力加壓鑄造的探討［J］.鑄造設(shè)備與工藝，2013（02）：39-41.

Study on Low Pressure Die Casting Process of the Top of CRH380A Gear Box

ZHANG Zhang，WANG Pei-pei，CHEN Hong-shen，ZHA Ming-hui，XU Gui-bao，DONG Wen
（CRRC Qishuyan Locomotive&Rolling Stock Technology Research Institute CO.，LTD.，Changzhou Jiangsu 213011，China）

In this paper，based on the cast simulation soft Magma and the results of producing process，the low pressure die casting process of the top of CRH380A gear box was optimized.The effects of the die temperature，filling velocity and casting temperature on the solidification process were analyzed.The feasible low pressure die casting process as well the qualified top of CRH380A gear box was obtained.It provides the valuable reference for the research of low pressure die casting process of other Aluminum cast.

low pressure casting，permanent mold，casting simulation

TG249.2；TG292

A

1674-6694（2016）02-0011-03

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2016.02.005

2015-12-12 作者簡介：張章（1981-），男，博士，高級工程師。主要從事鋁合金材料及鑄造工藝研究。