大型寬軌距控制型轉(zhuǎn)向架搖枕鑄造工藝研究

喬義栓，劉敬豪，孫寶金

（中車齊齊哈爾車輛有限公司，黑龍江齊齊哈爾161002）

大型寬軌距控制型轉(zhuǎn)向架搖枕鑄造工藝研究

喬義栓，劉敬豪，孫寶金

（中車齊齊哈爾車輛有限公司，黑龍江齊齊哈爾161002）

1 676 mm軌距為目前世界上最寬軌距，其轉(zhuǎn)向架搖枕整體長(zhǎng)度也為世界最長(zhǎng)。通過(guò)對(duì)搖枕結(jié)構(gòu)及制造難點(diǎn)的分析，確定了合理的澆注系統(tǒng)和冷鐵方案等工藝措施；通過(guò)運(yùn)用鑄造模擬軟件對(duì)鑄造過(guò)程的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)及缺陷進(jìn)行模擬分析，優(yōu)化了鑄造工藝，提高了工藝保障水平。

鑄造工藝；搖枕；仿真模擬

1 1 676 mm軌距25 t軸重轉(zhuǎn)向架搖枕結(jié)構(gòu)及工藝難點(diǎn)分析

1.1 搖枕基本結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

轉(zhuǎn)向架是貨車的行走部分，其質(zhì)量直接關(guān)系到貨車的行車安全，而搖枕是轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵部件，承載著整個(gè)車體的重量。1 676 mm軌距25 t軸重控制型轉(zhuǎn)向架搖枕（文中簡(jiǎn)稱搖枕）為一體式心盤和旁承盒結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1），整體結(jié)構(gòu)為箱體形，兩端頭開(kāi)放，側(cè)墻每側(cè)各有兩個(gè)工藝清砂孔，搖枕上下平面均有兩個(gè)砂芯支撐工藝孔；內(nèi)腔設(shè)置縱向貫通立筋，心盤下方設(shè)置加強(qiáng)橫向筋，并有一貫通長(zhǎng)條孔。搖枕輪廓尺寸為2 620 mm×518 mm×407 mm，主壁厚在14 mm～34 mm之間，搖枕凈重665 kg.

1.2 主要結(jié)構(gòu)制造難點(diǎn)分析

通過(guò)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析，該搖枕具有以下制造難度：

1）邊A部上方內(nèi)腔立筋交匯處壁厚較厚(見(jiàn)圖2)，形成40 mm以上結(jié)構(gòu)性熱節(jié)，易產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷。

2）搖枕總長(zhǎng)高達(dá)2 620 mm，鋼水流動(dòng)距離長(zhǎng)，易產(chǎn)生澆不足、冷隔缺陷，對(duì)澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求較高；同時(shí)若采用整體芯工藝，由于整體芯呈細(xì)長(zhǎng)型，整體芯強(qiáng)度不足有斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。

3）搖枕心盤下方部位內(nèi)腔橫筋較多（見(jiàn)圖3），對(duì)整體芯強(qiáng)度影響較大，同時(shí)對(duì)制芯填砂、刮砂也造成了一定的不便。

2 鑄造工藝設(shè)計(jì)

2.1 造型、制芯材料的選用

采用酯硬化水玻璃砂造型、制芯，所用硅砂為二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于97%的精選砂，粒度為40目～70目。固化劑采用有機(jī)酯+改性水玻璃，酯硬化水玻璃砂可有效提高砂型高溫退讓性，減少鑄件裂紋的產(chǎn)生。

造型用酯硬化水玻璃砂質(zhì)量配比為（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）：新硅砂20%～30%，舊砂再生硅砂70%～80%[1]，改性水玻璃2.8%～3.3%，有機(jī)酯0.35%～0.45%.制芯用酯硬化水玻璃砂配比為（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）：新硅砂100%，改性水玻璃，2.8%～3.5%，有機(jī)酯0.35%～0.45%.

2.2 分型面和澆注方向的確定

圖1 搖枕結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

圖2 內(nèi)腔筋交匯處截面圖

圖3 內(nèi)腔縱向筋截面圖

圖4 搖枕二維工藝圖

通過(guò)分析搖枕結(jié)構(gòu)及其受力特點(diǎn)可知，搖枕壁厚最厚的部位為心盤部位和邊A上方內(nèi)腔筋交匯處，下方底壁受拉應(yīng)力，為質(zhì)量控制關(guān)鍵區(qū)域。為了保證關(guān)鍵區(qū)域的鑄造質(zhì)量和有利于心盤部位補(bǔ)縮，將搖枕心盤部位作為澆注方向的上方，關(guān)鍵區(qū)域的底壁置于澆注方向的下方。

為便于造型、下芯操作和模具的制作，將搖枕端頭上壁的下平面作為分型面，心盤部位做局部曲面分型（見(jiàn)圖4、圖5）.

2.3 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

搖枕總長(zhǎng)達(dá)2 620 mm，鋼水在型腔中流動(dòng)距離長(zhǎng)，且搖枕平均壁厚較薄，易出現(xiàn)冷隔、澆不足等缺陷，因此采用過(guò)橋澆口箱澆注工藝，鋼水經(jīng)水口箱從產(chǎn)品兩端經(jīng)澆口杯注入直澆口，過(guò)橋跨度（澆口距）為2 760 mm.采用此澆注工藝，鋼水流動(dòng)平穩(wěn)，充型速度快。

為保證邊A部及其上方加厚筋密實(shí)度，同時(shí)增加旁承盒部位壓頭，在邊A部“Y”形筋上方設(shè)置明冒口進(jìn)行補(bǔ)縮。

為保證心盤部位密實(shí)度和排氣通暢，在心盤上方設(shè)置兩個(gè)明冒口進(jìn)行補(bǔ)縮排氣。其余冒口補(bǔ)縮不到的熱節(jié)部位用冷鐵進(jìn)行激冷。在位置最高的旁承盒上方設(shè)置排氣孔進(jìn)行排氣。

2.4 砂芯設(shè)計(jì)

由圖4可以看出，該搖枕有8種砂芯。1#、2#為斜楔芯，制出了搖枕斜楔部位形狀。3#為斜楔孔芯。4#芯為整體芯，整體芯可顯著減少內(nèi)腔飛邊毛刺數(shù)量，有效提升搖枕內(nèi)腔質(zhì)量和壁厚均勻，為保障整體芯強(qiáng)度，制芯過(guò)程使用整體焊接式芯骨在制芯線上生產(chǎn)。5#芯為長(zhǎng)條孔芯，制出心盤下方側(cè)墻長(zhǎng)條孔。6#芯為端頭芯，制出了搖枕端頭內(nèi)腔形狀。7#、8#芯為吊耳芯。

2.5 其余工藝設(shè)計(jì)

搖枕材質(zhì)為B+級(jí)鋼，鋼水采用30 t堿性電弧爐+LF精煉爐冶煉，鋼水澆注溫度控制在1 580℃以內(nèi)；根據(jù)B+級(jí)鋼的收縮規(guī)律及搖枕的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，制造模具收縮量取1.7%～2.0%.

圖5 搖枕三維工藝圖

3 鑄造過(guò)程數(shù)值模擬分析

根據(jù)確定的工藝方案，采用Pro/E軟件繪制搖枕三維模型，增加澆注系統(tǒng)、加工量等工藝參數(shù)構(gòu)成鑄造實(shí)體模型。將三維實(shí)體模型導(dǎo)入華鑄CAE軟件，基于有限差分法進(jìn)行流場(chǎng)、溫度場(chǎng)等模擬仿真計(jì)算，直至搖枕溫度降到500℃時(shí)終止。

3.1 模擬分析網(wǎng)格的劃分

采用5 mm的網(wǎng)格尺寸，對(duì)鑄件、澆注系統(tǒng)等實(shí)體進(jìn)行剖分，以保證計(jì)算的精度。劃分的單元總數(shù)為：7 403 375，剖分結(jié)果如圖6所示。

圖6 搖枕計(jì)算網(wǎng)格劃分圖

3.2 鑄件物性參數(shù)的確定

在軟件中選取各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：w（C）：0.28%～0.32%,w（Mn）：0.7%～0.9%，w（Si）：0.2%～0.35%，w（P、S）：0.04%，其余為Fe的鋼種[2]。該鋼種的各項(xiàng)熱物性參數(shù)齊全且與B+級(jí)鋼材質(zhì)極為相近，有利于保證模擬精度。砂型設(shè)置酯硬化水玻璃砂（夏季）；冷鐵設(shè)置為25鋼；鑄型初始溫度設(shè)置為20℃，澆注溫度設(shè)置為1 580℃[3]，澆注時(shí)間設(shè)置為30 s.

3.3 充型過(guò)程模擬分析

充型液體流動(dòng)場(chǎng)分析見(jiàn)圖7～圖10.

圖7 充型10%時(shí)流場(chǎng)

圖8 充型30%時(shí)流場(chǎng)

從模擬結(jié)果可以看出，金屬液開(kāi)始充型時(shí)流動(dòng)不穩(wěn)定，充型約30%時(shí)兩端鋼水交匯。此后金屬液在重力和黏性力的作用下[4]，流動(dòng)逐漸平穩(wěn)，充型約70%時(shí)液面穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)模擬分析可以看出，該澆注系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)合理，有利于減少澆不足、冷隔、卷氣等鑄造缺陷，保證鑄件的最終質(zhì)量。

3.4 凝固過(guò)程溫度及縮孔缺陷模擬分析

圖9 充型70%時(shí)流場(chǎng)

圖10 充型100%時(shí)流場(chǎng)

圖11 凝固時(shí)間1 000 s時(shí)溫度分布

從圖11可以看出，由于搖枕壁厚不均，且在內(nèi)腔存在錯(cuò)綜復(fù)雜的拉筋，所以各部位溫度分布不均勻。在搖枕心盤部位及旁承部位設(shè)置冒口，可以起到補(bǔ)縮作用。從圖12可以看出，鑄件本體無(wú)縮孔產(chǎn)生，只有心盤較厚的部位有較小的縮松出現(xiàn)。

根據(jù)以上仿真模擬分析結(jié)果，可以判斷該搖枕鑄造工藝設(shè)計(jì)基本合理；可在搖枕心盤較厚部位放置鉻鐵礦砂，進(jìn)行局部激冷以消除縮松缺陷。

4 工藝驗(yàn)證

根據(jù)模擬分析結(jié)果，對(duì)搖枕鑄造工藝方案進(jìn)行了生產(chǎn)試制和小批量生產(chǎn)，所生產(chǎn)產(chǎn)品見(jiàn)圖13，產(chǎn)品經(jīng)過(guò)劃線檢測(cè)，顯示產(chǎn)品尺寸準(zhǔn)確、輪廓清晰；經(jīng)密實(shí)度解剖檢查（如圖14，圖15），顯示密實(shí)度良好，滿足產(chǎn)品圖紙要求，可進(jìn)行批量生產(chǎn)[5]。

圖12 凝固時(shí)間1 000 s時(shí)縮孔、縮松分布

圖13 搖枕鑄造毛坯

圖14 搖枕邊A部密實(shí)度

圖15 搖枕中A部密實(shí)度

5 結(jié)束語(yǔ)

1）對(duì)于長(zhǎng)形的薄壁箱型鑄件，在澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮鋼水的充型能力。

2）使用鑄造CAE仿真模擬軟件，對(duì)搖枕鑄造工藝過(guò)程進(jìn)行仿真模擬分析，可以優(yōu)化鑄造工藝、節(jié)約試制成本、縮短試制周期。

［1］林棟，孫寶金，劉敬豪.寬軌轉(zhuǎn)向架搖枕鑄造工藝研究與實(shí)踐［J］.鑄造設(shè)備與工藝，2014（4）：10-12.

［2］劉勝田，楊軍，艾秀蘭.數(shù)值模擬技術(shù)在鐵路貨車鑄鋼側(cè)架上的應(yīng)用［J］.鑄造，2009（2）：137-140.

［3］張東偉.酯硬化砂制造沖擊座類鑄鋼件工藝研究［J］.鑄造設(shè)備與工藝，2012（2）:21-25.

［4］劉峻嶺,凌云飛,田季林，等.基于華鑄CAE的重載鐵路貨車搖枕工藝研究［J］.特種鑄造及有色合金，2016（2）:368-370.

［5］TB/T3012-2006.鐵道貨車搖枕、側(cè)架技術(shù)條件［S］.

Research on Casting Process of Large Control Bogie Bolster

QIAO Yi-shuan，LIU Jing-Hao，SUN Bao-jin
（CRRC Qiqihar Rolling Stock CO.，LTD.，Qiqihar 161002，China）

The control bogie bolster has the widest track gauge 1676 mm and the longest length in the world.Through the analysis on the bolster structure and difficulties in casting，the reasonable pouring system and chill arrangement have been determined for the casting process.Casting simulation software is used to simulate and analyze the temperature field，flow field and defects for the optimization of casting process.

casting process，bolster，simulation.

TG242

A

1674-6694（2017）01-0028-04

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2017.01.010

2016-09-30

喬義栓（1982-），男，工程師。研究方向：鑄鋼搖枕、側(cè)架等鐵路貨車中大型鑄件的工藝開(kāi)發(fā)。