鐵路車輛側(cè)柱內(nèi)補強座鑄造工藝改進及生產(chǎn)流程再造

武玉平 喬景忠 薛立春 周建軍 蘇雅拉圖 王雙捷 陳志軍 趙學(xué)林 何立軍（內(nèi)蒙古第一機械集團有限公司第十分公司，內(nèi)蒙古 包頭，014032）

鐵路車輛側(cè)柱內(nèi)補強座鑄造工藝改進及生產(chǎn)流程再造

武玉平 喬景忠 薛立春 周建軍 蘇雅拉圖 王雙捷 陳志軍 趙學(xué)林 何立軍
（內(nèi)蒙古第一機械集團有限公司第十分公司，內(nèi)蒙古 包頭，014032）

本公司從上世紀(jì)80年代以來一直是包頭北方創(chuàng)業(yè)股份公司的合格承制方，并跟隨其整車研制步伐從最初的C62車型開始到現(xiàn)在的C76、C80、C80E等車型進行鐵路車輛鑄件工藝研發(fā)與批產(chǎn)。盡管鐵路車輛車型的不斷升級換代，但側(cè)柱內(nèi)補強座仍然沿襲最初的C62側(cè)柱內(nèi)補強座工藝，但是該產(chǎn)品生產(chǎn)存在生產(chǎn)周期長、生產(chǎn)效率低等問題，且合格率和工藝出品率也低于其他鐵路車輛鑄件，制約產(chǎn)品的批產(chǎn)生產(chǎn)。隨著公司全價值鏈、體系化精益管理戰(zhàn)略的實施，要求整車和零部件從源頭就必須實現(xiàn)精準(zhǔn)設(shè)計和精益工藝設(shè)計，降低制造成本、實現(xiàn)效益的最大化。本公司通過對側(cè)柱內(nèi)補強進行工藝設(shè)計的改進，優(yōu)化了生產(chǎn)流程，降低了生產(chǎn)成本，進而提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和市場競爭力。

鐵路車輛；側(cè)柱內(nèi)補強座；鑄造； 型芯；工藝改進；生產(chǎn)流程再造

1 概述

側(cè)柱內(nèi)補強座是鐵路車輛鑄件基數(shù)較大的產(chǎn)品，也是本公司砂鑄生產(chǎn)線的主打鑄鋼件。該產(chǎn)品由于生產(chǎn)工序多、生產(chǎn)流程長、生產(chǎn)效率低以及合格率和工藝出品率低等，造成了鑄件生產(chǎn)成本高、生產(chǎn)周期長和制造成本高于鑄件的市場采購價格的“倒掛”現(xiàn)象，直接影響了經(jīng)營效果。

針對鐵路車輛側(cè)柱內(nèi)補強座產(chǎn)品存在的上述問題，本文首先通過對該產(chǎn)品的原工藝方案和生產(chǎn)流程進行梳理和分析，確認(rèn)在鑄件冶煉的材質(zhì)和熱處理工序環(huán)節(jié)上基本上沒有可改進的切入點，然后重點從造型和制芯工序環(huán)節(jié)上入手，其中，制芯的準(zhǔn)備周期長、制芯環(huán)節(jié)多、人工占用大、能耗高。蓋芯的制芯工序包括配砂、制芯、進窯烘烤、型芯精整以及型芯轉(zhuǎn)運等，這諸多的環(huán)節(jié)直接導(dǎo)致了鑄件生產(chǎn)周期長、生產(chǎn)效率低、工人勞動強度大以及型芯損耗大等問題，事實上，側(cè)柱內(nèi)補強座蓋芯的制芯工序占造型成本的比重還是很大的。

如何實現(xiàn)取消制芯的工藝改進，達到提質(zhì)增效的目的是一項亟待解決的技術(shù)難題。經(jīng)各種工藝方案比較和可行性技術(shù)論證，并借鑒某些產(chǎn)品取消型芯技術(shù)方案，確定了對原鑄造工藝方案進行工藝改進，并通過工藝改進的技術(shù)路線達到優(yōu)化生產(chǎn)流程、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本的目的，最終實現(xiàn)鐵路車輛側(cè)柱內(nèi)補強座降本增效的目的。

2 側(cè)柱內(nèi)補強座概況

側(cè)柱內(nèi)補強座是鐵路車輛車斗內(nèi)根部框體支撐加強的焊接零件，為受力件，是三角形平板支體、薄壁“∩”字形形狀類復(fù)合結(jié)構(gòu)，鑄件最小壁厚為10mm，最大壁厚為15mm，鑄件內(nèi)部質(zhì)量及表面質(zhì)量要求較高，除了尺寸精度要求嚴(yán)格外，還要求內(nèi)部組織致密，不允許存在縮松、縮孔等鑄造缺陷。鑄件主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 鑄件主要技術(shù)參數(shù)

2.1 鑄件結(jié)構(gòu)特點

鐵路車輛側(cè)柱內(nèi)補強座鑄件為三角形平板支體結(jié)構(gòu)，輪廓尺寸大、壁薄。鑄件容易產(chǎn)生變形、冷隔、澆不足、夾渣、掉砂、砂眼等鑄造缺陷。見圖1。

圖1 側(cè)柱內(nèi)補強座鑄件圖

2.2 鑄件技術(shù)要求

鑄件技術(shù)要求包括：鑄件尺寸精度、表面質(zhì)量和內(nèi)在質(zhì)量等達到圖紙TB/T1464驗收技術(shù)條件的要求；倒“∩”字形筋面變形不得大于2mm，筋厚公差不得大于0.5mm，鑄件不允許有影響零件使用的鑄造缺陷。

3 側(cè)柱內(nèi)補強座鑄件生產(chǎn)難點分析

鑄件為三角形平板支體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的工藝性和鑄造工藝性差，鑄件存在充型差、熱節(jié)分散、補縮通道不暢等問題。

3.1 鑄件成型難點

鑄件成型過程中存在的難點：1）鑄件壁厚較薄，在金屬液澆注過程中流動前端會形成極大的表面張力，阻礙金屬液充型，容易造成型腔出現(xiàn)充不滿的現(xiàn)象；2）鑄件壁薄，在澆注時需提高金屬液的溫度和充型速度，而澆注溫度高鑄件容易產(chǎn)生疏松缺陷，金屬液充型速度快容易出現(xiàn)卷氣、夾雜等缺陷；3）由于鑄件整體壁薄、補縮通道狹窄、不暢，不容易補縮，厚大部位容易出現(xiàn)局部疏松缺陷。因此在澆注系統(tǒng)設(shè)計上不僅要保證鑄件成型完整，還需考慮卷氣、夾雜等缺陷的產(chǎn)生，同時需加強對厚大部位的補縮，保證鑄件成型完整的情況下組織致密；4）澆注溫度、速度雖然對鑄件的成型有很大的影響，但依賴控制澆注溫度、澆注速度解決冷隔、澆不足的鑄造缺陷的同時又會產(chǎn)生新的鑄造缺陷。

如何保證金屬液充滿型腔并得到組織致密的鑄件是工藝改進的重點。

3.2 尺寸精度控制難度大

型芯與砂型的配合間隙不易控制、配模難度大，型芯的變形與砂型的尺寸互相影響，定位準(zhǔn)確性差，很難達到鑄件尺寸的公差。

4 原鑄造工藝方案和生產(chǎn)流程簡介

圖2 側(cè)柱內(nèi)補強座模型布置圖

圖4 改進后的側(cè)柱內(nèi)補強座模型布置圖

圖3 生產(chǎn)流程圖

4.1 鑄造工藝方案

具體鑄造工藝方案見圖2，具體內(nèi)容包括：

1）工裝為1200mm×900mm砂箱，砂箱一箱布置4件模型 ；

2）鑄件全部放在下箱；

3）大平面放在底部，蓋芯與砂型形成型腔；

4）高處設(shè)置2個橢圓冒口，內(nèi)澆道從上箱冒口處引入。

原工藝方案存在的主要問題：

1）鑄件產(chǎn)生澆不足、冷隔和夾砂缺陷，鑄件合格率僅為85%左右，特別是澆不足、冷隔廢品比例很大；

2）鑄件工藝出品率58.8%，低于其他鐵路車輛產(chǎn)品的工藝出品率，鋼水利用率低；

3）水玻璃砂蓋芯制芯工序為先濕態(tài)脫模、后硬化的方式，處于濕態(tài)下的型芯在干燥板上轉(zhuǎn)運或烘烤過程時產(chǎn)生變形，造成鑄件尺寸超差；

4）水玻璃砂蓋芯進窯烘烤消耗天然氣，造成能源浪費問題，水玻璃砂蓋芯進窯烘烤后還需進行精整和交檢，增加人工成本；

5）為預(yù)防鑄件大平面產(chǎn)生夾砂缺陷，在制水玻璃砂蓋芯時的大平面局部插6根釘子，這樣一方面破壞了砂芯的整體強度，另一方面增加了生產(chǎn)成本；

6）由于鑄件“∩”形口吃砂量少，在造型過程中“∩”形口周圍的砂型壓不實，因而砂型硬度低，局部有“馬蜂窩”現(xiàn)象，鑄件容易產(chǎn)生砂眼缺陷；

7）人工下芯很難掌握蓋芯水平準(zhǔn)確下入型腔，造成鑄件的壁厚尺寸不均和形位公差超差；

8）人工下芯掉入型腔的砂粒造成砂眼缺陷；

9）水玻璃砂蓋芯的干強度和殘留強度都高于造型的型砂，鑄件在清理時費力耗時。

圖5 改進后的側(cè)柱內(nèi)補強座鑄件生產(chǎn)流程圖

4.2 原生產(chǎn)流程

原鐵路車輛側(cè)柱內(nèi)補強座鑄件生產(chǎn)流程見圖3。

原生產(chǎn)流程存在的主要問題：

鐵路車輛側(cè)柱內(nèi)補強座鑄件結(jié)構(gòu)雖然簡單，但蓋芯的鑄造工藝方案帶來許多問題，鑄造工藝方案生產(chǎn)比較復(fù)雜，不可控因素多，工人操作過程煩瑣。蓋芯為水玻璃砂制芯工藝，從配制芯砂、制芯、進窯烘烤、型芯精整到型芯交檢共6個環(huán)節(jié)，再加上成品型芯轉(zhuǎn)運、下芯2個環(huán)節(jié)，諸多的生產(chǎn)環(huán)節(jié)和不可控因素多直接導(dǎo)致了生產(chǎn)準(zhǔn)備和生產(chǎn)周期長、生產(chǎn)效率低、工人勞動強度大，以及型芯損耗大、鑄件廢品率高和生產(chǎn)成本高等問題，其中，生產(chǎn)周期長、生產(chǎn)效率低和生產(chǎn)組織難度大問題尤為凸顯。

5 工藝改進方案

按照取消型芯的精益工藝方案技術(shù)途徑，對原鑄造工藝進行了優(yōu)化設(shè)計和工藝改進，改進的主要內(nèi)容包括：

1）確定分型面；

2） 設(shè)計澆注系統(tǒng)和冒口；

3） 設(shè)計專用型板；

4）取消型芯。

具體改進工藝方案見圖4，具體內(nèi)容包括：

1）工裝為1200mm×900mm砂箱，砂箱一箱布置6件模型；

2）鑄件放在上箱，下箱采用專用型板帶出砂胎形成鑄件的內(nèi)腔；

3）兩件立面之間增加共用冒口，橫澆道進入冒口引入型腔；

4）鑄件大平面為上面，傾斜于分型面，高處設(shè)置冒口，澆注系統(tǒng)從冒口進入比較容易充型，防止了澆注鋼水時砂型排氣不暢造成的漏皮缺陷的產(chǎn)生；

5）主要的內(nèi)腔采用專用型板帶出，避開了型芯成型影響因素多的環(huán)節(jié)，有助于鑄件的壁厚均勻、尺寸準(zhǔn)確；

6） 澆注系統(tǒng)為直澆道進入橫澆道搭肩再進入冒口，有利于鋼水的澆注平穩(wěn)、浮渣、浮砂。

改進后的鐵路車輛側(cè)柱內(nèi)補強座鑄件生產(chǎn)流程圖見圖5。

從改進后的鐵路車輛側(cè)柱內(nèi)補強座生產(chǎn)流程圖可以看出：用模型直接帶出型腔形成砂型，省去了原蓋芯成型工藝方案的所涉及的配制芯砂、制芯、進窯烘烤、型芯精整、型芯交檢和成品型芯轉(zhuǎn)運、下芯7個環(huán)節(jié)，將改進前的17個環(huán)節(jié)減少到改進后的10個環(huán)節(jié)，縮短了生產(chǎn)流程、簡化了工藝。

6 工藝改進實施與工藝驗證

在對側(cè)柱內(nèi)補強座工藝改進方案工藝評審的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計了專用型板并重新制作了模型，隨后進行了工藝試制。經(jīng)過對工藝試制的首件鑄件鑒定表明，工藝改進后的鑄件尺寸、表面質(zhì)量、內(nèi)在質(zhì)量等均達到圖紙及TB/T1464驗收技術(shù)條件的要求，后經(jīng)5個爐次的批量生產(chǎn)驗證鑄件質(zhì)量穩(wěn)定，改進后的工藝已納入鑄造工藝規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)。

7 改進后技術(shù)、經(jīng)濟效果

7.1 技術(shù)效果

1）每爐鋼水的澆注的造型箱數(shù)由工藝改進前的生產(chǎn)35箱減少到工藝改進后的30箱，鑄件澆注數(shù)量由工藝改進前的140件增加到了工藝改進后的180件，減少了造型和澆注的箱數(shù)，進而縮短了鋼水澆注時間和降溫時間，有利于解決鑄件冷隔、澆不足問題，同時縮短了鋼水對鋼包的熱作用時間，提高了鋼包的使用壽命；

2）鑄件工藝出品率由工藝改進前的58%提高到了工藝改進后的67.3%，鋼水利用率提高了9.3%；

3）鑄件綜合合格率由工藝改進前的85%提高到了由工藝改進后的93%，廢品損失降低了8%；

4）取消了制芯環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了隨時造型、隨時澆注的生產(chǎn)節(jié)奏，改變了原工藝方案必須提前進行蓋芯制芯的各項前期工作準(zhǔn)備的生產(chǎn)組織模式；

5）取消了蓋芯工藝，隨之也就省去了與制芯相關(guān)聯(lián)的配制芯砂、制芯、烘烤和精整、下芯搬運等環(huán)節(jié)，節(jié)省了制芯人力，也避免了由于人工下芯定位不準(zhǔn)確造成的鑄件尺寸超差問題；

6）解決了原工藝存在的準(zhǔn)備周期長、生產(chǎn)周期長和生產(chǎn)效率低、工人勞動強度大，以及型芯損耗大、鑄件廢品率高和生產(chǎn)成本高等問題；

7）優(yōu)化了生產(chǎn)流程，實現(xiàn)了流程再造。

7.2 經(jīng)濟效果

鐵路車輛側(cè)柱內(nèi)補強座預(yù)計2016年投產(chǎn)9000件，鑄件毛重為14.8kg，9000件鐵路車輛側(cè)柱內(nèi)補強座總重量為：9000件×14.8kg/件=133200kg=133.2t。

鑄件廢品殘值為2200元/t，鑄件成本為9460元/t，鋼水成本為5500元/t，那么鐵路車輛側(cè)柱內(nèi)補強座改進工藝后的有形節(jié)創(chuàng)價值計算結(jié)果如下∶

1）工藝出品率提高節(jié)約的價值

工藝出品率由58%提高到67.3%，則節(jié)約的價值為：

（133.2t÷58%－133.2t÷67.3%）×（5500元/t－2200元/t）=104742元

2）取消型芯節(jié)約的價值

型芯重16.5kg，芯砂成本為0.35元/kg，則節(jié)約的價值為：

16.5kg/件×9000件×0.35元/kg=51975元

3） 造型用型砂節(jié)約的價值

原工藝每箱耗砂量180kg，改進工藝后每箱耗砂量為230kg，型砂成本為0.15元/kg，則節(jié)約的價值為：

（180kg÷4 -230kg÷6）×9000件×0.15元/kg=9004.5元

4）合格率由85%提高到93%創(chuàng)造的價值

創(chuàng)造的價值為：（133.2t÷85%－133.2t÷93%）×（9460元/t－2200元/t）=98010元

5）工藝改進重新制作模型費用42000元

工藝改進后的有形節(jié)創(chuàng)價值為∶

104742 +51975 +9004.5 +98010 -42000 =212736.5（元）

8 結(jié)論

通過對鐵路車輛側(cè)柱內(nèi)補強座鑄造工藝改進，不僅縮短了生產(chǎn)周期，減少了材料消耗，降低了工人的勞動強度，而且達到了降本增效效果，并實現(xiàn)了生產(chǎn)流程再造，同時也提高了整車裝備和零部件的市場競爭能力。

（References）

［1］ 馬立升，李玉.空調(diào)泵葉輪鑄鋼工藝的改進［J］.鑄造技術(shù)，2011（2）.

［2］高軍會.平臺的鑄造［J］.鑄造技術(shù)，2011（2）.

［3］梁趙靜，陳翠鳳，金桂芹，等.灰鑄鐵HT300齒輪的生產(chǎn)工藝優(yōu)化［J］.鑄造技術(shù)，2008（10）.