45 t大軸重側(cè)架鑄造工藝研究及應(yīng)用

王哲

（中車齊齊哈爾車輛有限責(zé)任公司，黑龍江齊齊哈爾 1610 02）

45 t大軸重側(cè)架鑄造工藝研究及應(yīng)用

王哲

（中車齊齊哈爾車輛有限責(zé)任公司，黑龍江齊齊哈爾 1610 02）

隨著重載貨車的技術(shù)的不斷發(fā)展，我公司研制了目前軸重最大的45 t軸重轉(zhuǎn)向架側(cè)架，為確保公司重載戰(zhàn)略的順利實施，進(jìn)行了45 t軸重側(cè)架鑄造工藝開發(fā)工作。本文通過對45 t軸重側(cè)架進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，并針對其制造難點，進(jìn)行鑄造工藝設(shè)計，并采用P r o C A S T對鑄造過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析,根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化了鑄造工藝。經(jīng)生產(chǎn)驗證結(jié)果，鑄件滿足產(chǎn)品各項技術(shù)要求，達(dá)到了預(yù)期的效果。

45t軸重；側(cè)架；鑄造工藝

D

O I：10.39 69/j.i s s n.100 6-96 58.2017.05.014

我公司出口澳大利亞的45 t軸重礦石車，是目前世界上最大軸重的鐵路貨車，45 t軸重轉(zhuǎn)向架是鐵路貨車走行部分核心部件，該轉(zhuǎn)向架為鑄鋼三大件式轉(zhuǎn)向架。側(cè)架是轉(zhuǎn)向架的基礎(chǔ)，它把轉(zhuǎn)向架各零部件組成一個整體，承受、傳遞各種作用力及載荷，因此其鑄造質(zhì)量對貨車運行安全性、可靠性具有重要的作用。本文針對45 t軸重側(cè)架結(jié)構(gòu)特點和技術(shù)要求，設(shè)計了鑄造工藝方案，并通過ProCAST軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，針對分析結(jié)果優(yōu)化技術(shù)方案。實踐證明，所制定的工藝方案可行，效果良好。

1 側(cè)架結(jié)構(gòu)特點及工藝難點

側(cè)架成品鑄件的質(zhì)量約812.11kg，最大外形尺寸為2470.6 mm×520 mm×483 mm，大體壁厚在14 mm～16 mm之間，最大壁厚在達(dá)50 mm，其結(jié)構(gòu)屬于典型的復(fù)雜薄壁類鑄件。局部壁厚變化較大，熱結(jié)比較分散，鑄件溫度場分布不均勻，內(nèi)部密實度不易保證。材質(zhì)為ZG25MnCrNi的低合金鋼，屬于亞共析鋼，凝固結(jié)晶溫度范圍較寬，如果凝固方式控制不當(dāng)，易形成裂紋。

2 工藝方案

側(cè)架采用酯硬化水玻璃砂造型,制芯,分型面選定在縱向中心面上，澆注系統(tǒng)由側(cè)架上懸梁處引入(如圖1所示) 。在產(chǎn)品高點及鋼液匯流區(qū)域設(shè)置排氣針及排氣冒口,在局部熱解部位設(shè)置補縮冒口,個別部分布置冷鐵進(jìn)行激冷,使鑄件接近同時凝固。

圖1 工藝方案

2.1 澆注系統(tǒng)計算可根據(jù)以下經(jīng)驗公式[1]計算。

(1)澆注時間

t=G/ Vg≈22s

式中， G為鑄件毛坯質(zhì)量（鋼液質(zhì)量921kg）；Vg為鋼液的質(zhì)量流率為42kg/s，包孔直徑為45 mm，見表 1。

表1 不同注孔直徑澆注流量速度V平均值

液面上升速度是獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的一個重要因素之一，根據(jù)經(jīng)驗鑄件質(zhì)量在500 kg～1000 kg液面上升速度在12～20 mm/s。上述所求得的澆注時間是否合適，通過經(jīng)驗公式驗算：

v=18 mm/s

根據(jù)驗算可知，澆注時間符合經(jīng)驗公式要求。

(2)澆注系統(tǒng)各組元截面

根據(jù)我公司在側(cè)架制造中長期實踐經(jīng)驗，各截面比值為ΣF包:ΣF直: ΣF橫: ΣF內(nèi)=1:1.8:1.8:2.2，經(jīng)計算，ΣF直≈ 29 cm2，ΣF橫≈ 29 cm2，ΣF內(nèi)≈35 cm2，

3 數(shù)值模擬及分析

采用ProCAST軟件對側(cè)架的鑄造過程進(jìn)行模擬。對側(cè)架鑄造工藝方案流體場、溫度場及收縮位置進(jìn)行分析。確定可行性。

根據(jù)側(cè)架生產(chǎn)實際情況設(shè)定邊界條件及初始條件，設(shè)定澆注溫度1580 ℃、鑄型及環(huán)境溫度為20 ℃、澆注速度為42kg/s，相應(yīng)的澆注時間為22s。

3.1 流動場分析

液態(tài)金屬的充型過程中和流動形態(tài)直接影響鑄造的質(zhì)量，根據(jù)充型過程中金屬液體的流動形態(tài)及穩(wěn)流程度，可以發(fā)現(xiàn)鑄件在充型過程中可能產(chǎn)生冷隔、澆注不足、卷氣、夾渣、粘砂等缺陷。如圖2示。

圖2 側(cè)架充型過程流體場

從圖2可以看出，在充型6 s時鋼液的流動較為平穩(wěn)，隨著充型過程的進(jìn)行，由于鋼液前沿撞擊鑄件型腔而受阻回流，在18 s左右出現(xiàn)穩(wěn)流，此期間可能出現(xiàn)卷氣夾渣等鑄造缺陷。在重力及粘性力的作用下，液態(tài)金屬逐漸趨于穩(wěn)定。同時在鋼液匯集及鋼液上升受阻部位設(shè)置了冒口及排氣針進(jìn)行排氣。由上述分析可知，澆注系統(tǒng)設(shè)計合理。

3.2 凝固溫度場的數(shù)值模擬

凝固過程的溫度場反映凝固過程中鑄件各部位的溫度變化，據(jù)此可以發(fā)現(xiàn)鑄件凝固過程中形成鑄造缺陷。

圖3 凝固過程溫度場（℃）

從凝固過程的溫度場可以看出，內(nèi)澆口附近及部分冒口根部存在收縮缺陷。具體分析如下：

(1)鑄件壁厚變化較大及流道部位產(chǎn)生的熱量積聚，鑄件并不是順序凝固。立柱面下部及側(cè)架腹部壁厚較大部位凝固較周圍慢，容易產(chǎn)生孤立液相區(qū)，如圖4.a所示。

(2)上懸梁處冒口在設(shè)計時，未考慮冒口根部和鑄件連接處由于鋼液流通效應(yīng)及熱對流形成接觸性熱節(jié)[3]，使熱節(jié)下移至冒口根部形成缺陷，如圖4.c所示。

圖4 鑄件缺陷預(yù)測分析

(3)邊A冒口在設(shè)計時側(cè)重考慮造型工藝，使冒口設(shè)計受限，模數(shù)偏小，如圖4.d所示。

(4)立柱物理熱節(jié)相對較小，但立柱上部結(jié)構(gòu)為階梯狀，原冒口設(shè)計意圖為排氣兼補縮作用，從模擬分析結(jié)果來看，設(shè)計并不合理，如圖4.b所示。

針對上述問題，對側(cè)架工藝進(jìn)行逐一改進(jìn)：

(5)在立柱及側(cè)架腹部采用冷鐵進(jìn)行激冷，方案見圖5，進(jìn)而消除縮松及縮孔類缺陷傾向。

(6)取消上懸梁冒口及立柱冒口，并在立柱面上布置排氣針，彎角處布置冷鐵進(jìn)行激冷。

(7)增加邊A冒口尺寸，將冒口設(shè)計成倒錐形，方案見圖6所示。

圖5 冷鐵布置方案

圖6 冒口改進(jìn)方案

對改進(jìn)后的方案進(jìn)行在再次模擬，根據(jù)分析結(jié)果可知改進(jìn)后的方案缺陷基本消除，分析結(jié)構(gòu)如下：

圖7 改進(jìn)后的鑄件缺陷預(yù)測

圖8 實物鑄件

4 試驗驗證

根據(jù)模擬結(jié)果對工藝方案進(jìn)行優(yōu)化后，進(jìn)行了側(cè)架的現(xiàn)場驗證工作。實踐表明優(yōu)化的側(cè)架鑄造工藝合理，鑄件表面光潔，未發(fā)現(xiàn)肉眼可見的縮孔、裂紋等鑄造缺陷，經(jīng)整體磁粉探傷檢測、關(guān)鍵區(qū)域斷面解剖（圖9），未發(fā)現(xiàn)大的鑄造缺陷，滿足產(chǎn)品技術(shù)條件的要求。

圖9 實物斷面解剖照片

為全面評定內(nèi)部鑄件內(nèi)部質(zhì)量，對側(cè)架采用DR成像法及工業(yè)CT檢測[3]。 DR成像法（Digiral Radiography），一般在一個方向上由膠片或者探測器接收穿過工件的射線得到圖像數(shù)據(jù)。工業(yè)CT（Computerized Tomography）通過對鑄件各方向的掃面獲得斷面CT圖像，影響清晰，是目前最為可靠的無損檢測手段之一。通過DR及CT檢測可知側(cè)架密實度優(yōu)良，結(jié)果如圖10所示。

5 結(jié)語

（1）鋼液主要流經(jīng)通道及流道收窄區(qū)域會產(chǎn)生大量的熱量積聚，進(jìn)而影響溫度場分布，這些區(qū)域在凝固過程中容易出現(xiàn)孤立液相區(qū)，可能產(chǎn)生鑄造缺陷。此方案中在側(cè)架立柱及腹部布置冷鐵進(jìn)行激冷，平衡溫度場來降低缺陷的形成。

（2）數(shù)值模擬軟件是有效的數(shù)值分析軟件，可以輔助分析鑄造工藝的合理性，節(jié)約鑄造工藝設(shè)計時間，降低開發(fā)成本。

（3）工藝方案設(shè)計合理，滿足產(chǎn)品各項要求，取得了理想的效果，經(jīng)過了生產(chǎn)實踐的檢驗。

圖10 產(chǎn)品內(nèi)部密實度檢測

[1] 李弘英，趙志成.鑄造工藝設(shè)計[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，200 5.2.

[2] 范金輝，魏兵，汪鋒.鑄件熱節(jié)系統(tǒng)性的研究[J].鑄造技術(shù)，200.3

[3] 曾理，蒲云，馬睿.基于工業(yè)CT的鐵路貨車鑄件缺陷自動檢測[J].中國鐵道科學(xué)，200 9.7.

Research and application of casting process for 45-ton heavy axle load side frame

Wang Zhe
(CRRC qiqihar rolling stock Co., Ltd., Qiqihar 161002,Heilongjiang,China)

As the continuous development of technology on heavy load wagons, our company(CRRC QIQIHAR) has developed the 45-ton axle load bogie which is the heaviest load bogie in the world. The 45-ton axle load side frame casting process development has been carried out .to ensure the implementation of the our company's strategy for heavy load wagons. In this paper, the structural analysis of the 45-ton axle load side frame was simulated by using ProCAST software , after which the casting process was optimized according to the simulating results. By production verif i cation, the quality of castings meets the technical requirements of the product , which succeeds to achieve the anticipated.

45-ton axle load；side frame；casting process

T G 244；

A；

100 6-96 58（2017）05-00 42-04

2017-05-23

稿件編號:170 5-179 7

王哲(198 5—），工程師，主要從事鑄造工藝的開發(fā)研究工作.