地鐵用電機(jī)端蓋縮孔缺陷分析及預(yù)防

任國(guó)波，鄧小金，張 杰，周小亮

（中車戚墅堰機(jī)車有限公司，江蘇常州 213011）

近期公司生產(chǎn)的地鐵用電機(jī)端蓋材質(zhì)為QT400-18LT，鑄件外形結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單，但熱節(jié)數(shù)量較多，且球墨鑄鐵件具有糊狀凝固特性，易產(chǎn)生分散性縮孔。雖然原鑄造工藝為保證鑄件的內(nèi)部質(zhì)量，造型、制芯時(shí)放置了較多的冷鐵，不僅增加了造型、清理及加工的工作量，在加工過程中仍發(fā)現(xiàn)部分鑄件存在縮孔缺陷，給公司造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。為提高工作效率和降低縮孔缺陷的發(fā)生率須進(jìn)行合理的工藝改進(jìn)。以其中一種電機(jī)端蓋為試驗(yàn)載體進(jìn)行其他產(chǎn)品的工藝設(shè)計(jì)改進(jìn)，保證產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。

1 端蓋原鑄造工藝及缺陷

1.1 工藝

該端蓋內(nèi)部質(zhì)量要求高的面（圖1陰影部位）朝下，澆注系統(tǒng)為底注半封閉式澆注系統(tǒng)，在軸承孔與連接筋板處、回油孔鉆孔位置設(shè)置外冷鐵（圖1底箱冷鐵布置圖）。

1.2 縮孔缺陷

端蓋加工后在軸承孔凹角處存在不同程度的縮孔缺陷，如圖2所示?？s孔缺陷大小約為20mm×15mm，深度約為10mm。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，縮孔位置基本在兩冷鐵之間。

2 縮孔原因分析

2.1 材料收縮傾向

QT400-18LT為低溫鐵素體球墨鑄鐵，為保證QT400-18LT的低溫沖擊性能，熔煉生產(chǎn)中碳當(dāng)量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)控制在4.52%～4.65%。而當(dāng)碳當(dāng)量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在4.6%～4.8%時(shí)，球墨鑄鐵的流動(dòng)性最好，有利于澆注成型、補(bǔ)縮。因此QT400-18LT球墨鑄鐵縮孔傾向比一般球墨鑄鐵要大。為確保材質(zhì)為QT400-18LT端蓋的內(nèi)部質(zhì)量，須采取必要的工藝措施。

2.2 熱節(jié)處收縮

鑄件在凝固過程中，由于合金的液態(tài)收縮和凝固收縮，往往在鑄件最后凝固的部位出現(xiàn)孔洞，稱為縮孔。而端蓋軸承孔凹角為L(zhǎng)型結(jié)構(gòu)熱節(jié)，且熱節(jié)處型砂結(jié)構(gòu)為銳角，使此處內(nèi)角的熱節(jié)內(nèi)接圓直徑增大，導(dǎo)致此處熱節(jié)較大，凝固時(shí)體收縮的體積虧損得不到補(bǔ)償，形成縮孔。

原工藝上軸承孔處設(shè)置冷鐵，其主要作用為增加L型工藝熱節(jié)的冷凝，促進(jìn)冷鐵位置的石墨化膨脹提前，防止縮孔缺陷。而冷鐵之間存在間隙，冷鐵在間隙位置的作用發(fā)揮較小，導(dǎo)致此處產(chǎn)生縮孔。

圖1 端蓋質(zhì)量要求及工藝?yán)滂F布置圖

圖2 軸承孔處縮孔

3 采取措施

防止凹角縮孔的對(duì)策主要為實(shí)現(xiàn)熱節(jié)-連接壁-冒口的順序凝固。通過分析產(chǎn)生縮孔的原因及考慮到凹角縮孔的預(yù)防措施，決定取消軸承孔的冷鐵，并在軸承孔上部設(shè)計(jì)冒口，達(dá)到液態(tài)補(bǔ)縮的作用。

普通冒口尺寸計(jì)算為：此端蓋須放置冒口處的重量Gc=44.4kg（體積Vc=5.9dm3，Ac=27.2dm2）。

鑄件模數(shù)Mc=Vc/Ac=2.16（cm）。按鑄件模數(shù)計(jì)算結(jié)果冒口設(shè)計(jì)采用控制壓力冒口設(shè)計(jì)方法[1]。

質(zhì)量周界商Qm=Gc/Mc3=4.44（kg/cm3）。

冒口體模數(shù)MR=f1f2f3Mc=1.71（cm），（根據(jù)Mc和Qm查f1=1.3，f2=0.51，f3=1.2）。

冒口徑的模數(shù)MN=0.67MR=1.14（cm）。冒口徑直徑為4.56cm。

冒口體模數(shù)MR=1.71cm時(shí)，根據(jù)工藝方案選取耳冒口圓柱形無(wú)窩標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，取H/D=1.8，冒口取?90mm×160mm標(biāo)準(zhǔn)冒口。

熱節(jié)圓直徑T=35mm，冒口補(bǔ)縮距離為280mm，而鑄件軸承孔直徑為167mm，周長(zhǎng)為524mm，須設(shè)計(jì)兩個(gè)普通冒口才能滿足鑄件的補(bǔ)縮需要。但由于模具位置的問題，設(shè)計(jì)的普通冒口尺寸較大，在現(xiàn)有的模具上不能放置兩個(gè)冒口。

經(jīng)過對(duì)工藝及模具結(jié)構(gòu)的分析，決定采用保溫冒口對(duì)軸承孔位置進(jìn)行補(bǔ)縮，保溫冒口熱模數(shù)相當(dāng)于普通冒口模數(shù)的1.3～1.4倍，所以放置兩個(gè)保溫冒口（?80mm×120mm）可以達(dá)到補(bǔ)縮效果。具體工藝措施見圖3。

圖3 保溫冒口設(shè)計(jì)在砂芯上

4 生產(chǎn)實(shí)踐

工藝改進(jìn)后，試驗(yàn)結(jié)果經(jīng)過X射線探傷（探傷結(jié)果見圖4）符合圖紙要求，并批量生產(chǎn)363只，機(jī)械加工后軸承孔處無(wú)縮孔缺陷。

圖4 X射線探傷結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）在低溫球墨鑄鐵工藝設(shè)計(jì)時(shí)，須考慮此材質(zhì)的收縮傾向較其他球墨鑄鐵大，在鑄造工藝設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮冒口的設(shè)計(jì)滿足鑄件的內(nèi)部質(zhì)量要求。

（2）鑄鐵工藝設(shè)計(jì)中保溫冒口的效果相當(dāng)于普通冒口的1.3倍左右，選取保溫冒口時(shí)可先計(jì)算出普通冒口尺寸后再進(jìn)行保溫冒口大小的選擇。