鑄造牽引梁鑄造工藝實踐

凌云飛，王 哲，孫寶金

（齊齊哈爾軌道交通裝備有限公司，黑龍江齊齊哈爾151000）

鑄造牽引梁鑄造工藝實踐

凌云飛，王 哲，孫寶金

（齊齊哈爾軌道交通裝備有限公司，黑龍江齊齊哈爾151000）

牽引梁是鐵路貨車的關鍵承載部件，主要承受貨車的縱向沖擊載荷和垂向載荷。目前我國鐵路貨車基本采用焊接結(jié)構(gòu)牽引梁，而我公司研制的載重98 t級運煤敞車首次在國內(nèi)采用鑄造牽引梁。該產(chǎn)品為U型結(jié)構(gòu)的薄壁鑄鋼件，生產(chǎn)重點控制結(jié)構(gòu)尺寸和鑄件密實度，以保證產(chǎn)品組裝要求和運用的安全性、可靠性。

牽引梁；工藝設計；生產(chǎn)實踐

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點

鑄造牽引梁整體呈U型結(jié)構(gòu)，端口為矩形結(jié)構(gòu)；是將整體心盤、沖擊座、鋼板的組焊結(jié)構(gòu)設計為整體鑄造結(jié)構(gòu)，形位公差和尺寸公差要求精度較高。鑄造牽引梁運用工況復雜，其前、后從板承受車鉤傳遞的縱向沖擊載荷；心盤連接車體與轉(zhuǎn)向架，受垂向和縱向載荷，因此鑄件的密實度，特別是關鍵受力部位的密實度必須保證。

鑄造牽引梁輪廓尺寸1 885 mm×600 mm× 523 mm，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點判定：端部矩形結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生外凸變形；U型口部位，產(chǎn)生張口變形；兩翼產(chǎn)生上翹變形；頂平面產(chǎn)生外凸變形；前、后從板產(chǎn)生張口變形并且隨整體結(jié)構(gòu)變化；心盤處的結(jié)構(gòu)特點和其壁厚較厚，導致長端相對心盤產(chǎn)生“低頭”變形。圖1為鑄造牽引梁結(jié)構(gòu)圖。

2 牽引梁鑄造工藝設計

鑄造牽引梁采用酯硬化水玻璃砂造型、制芯。材質(zhì)B+級鋼（ZG25MnCrNi），堿性電弧爐冶煉，漏包澆注，包口塞直徑60 mm，澆注溫度1 580℃以下，澆注速度20 s～30 s.落砂時間大于4 h，干法落砂。采用正火+回火熱處理工藝。

圖1 鑄造牽引梁結(jié)構(gòu)圖

2.1 分型面設計

為保證砂芯定位準確和便于操作，將心盤方向置于下箱。結(jié)合生產(chǎn)車間機械造型的生產(chǎn)方式和現(xiàn)有工裝尺寸采用曲面分型方案，既可以減少砂芯數(shù)量又利于保證合箱精度。圖2為鑄造牽引梁工藝簡圖。圖3為鑄造牽引梁上鑄型。

2.2 澆、冒口系統(tǒng)設計

澆、冒口系統(tǒng)設計采用開放式澆注系統(tǒng)，截面積比：F包∶F直∶F橫∶F內(nèi)=1∶2∶2∶2.5.

根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)特點和保證鋼液充型過程平穩(wěn)，避免對砂芯直接沖刷，內(nèi)澆道從端頭兩側(cè)壁引入。采用階梯式內(nèi)澆道設計，減少鑄件上、下區(qū)域溫度差，以防止產(chǎn)生澆不足、冷隔、裂紋和粘砂等缺陷并利于將型腔內(nèi)的空氣和其他氣體排出型外。

圖2 鑄造牽引梁工藝簡圖

圖3 鑄造牽引梁上鑄型

由于壁厚變化大，局部加厚處多，在鑄件上形成多處集中和分散的熱節(jié)。因此在前、后從板處設置冒口集中補縮，對分散的熱節(jié)采用冷鐵激冷，實現(xiàn)整體同時凝固和局部順序凝固，以保證其內(nèi)部密實度。并在澆注系統(tǒng)的遠端設置排氣冒口，使型腔內(nèi)氣體排出，見冷鐵冒口布置圖4.

圖4 冒口冷鐵布置圖

采用procast鑄造模擬軟件對鑄造牽引梁澆冒口系統(tǒng)工藝設計方案的溫度場和凝固場模擬分析。澆冒口系統(tǒng)設計合理能滿足整體同時凝固和局部順序凝固的預期。鑄造牽引梁溫度場分布見圖5，鑄件除冒口區(qū)域外溫度基本接近，因此可實現(xiàn)鑄件整體同時凝固和局部（冒口區(qū)域）順序凝固的預期。從圖6鑄造牽引梁固相率分布圖看，冒口及冒口下方凝固最慢，并且冒口存在大量液態(tài)金屬可對鑄件進行補縮，因此冒口位置選擇及尺寸設計合理。

圖5 鑄造牽引梁溫度場分析

圖6 鑄造牽引梁固相率

2.3 反變形量設計

鑄件的整體結(jié)構(gòu)變形既長端相對心盤的“低頭”變形是影響產(chǎn)品質(zhì)量的關鍵因素，決定了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)尺寸是否滿足運用要求。在前期的試制生產(chǎn)中，最大變形量達20 mm左右，無法滿足使用要求。因此工藝設計反方向8 mm預變形量。

端頭矩形結(jié)構(gòu)預設2 mm內(nèi)凹反變形量，以保證加工后壁厚要求。U型口通過增加拉筋方式控制張口變形，內(nèi)腔砂芯兩側(cè)設計內(nèi)凹反變形量，以抵消增加拉筋導致的側(cè)壁外凸。前、后從板設計垂向與縱向反變形量，抵消由于收縮時砂芯阻礙產(chǎn)生的變形。頂部設計內(nèi)凹反變形量，保證鑄件頂部平整。變形量預設位置見圖7.

圖7 反變形量預設位置圖

3 生產(chǎn)過程驗證

鑄造牽引梁的曲面分型設計很好地保證了合箱精度，兩側(cè)壁厚基本一致，同時簡化了操作，提高了生產(chǎn)效率。

開放式階梯內(nèi)澆道設計，充型過程平穩(wěn)、溫度分布合理，鑄件輪廓清晰完整，無接火、氣孔等缺陷。

反變形量設計達到預期目標，鑄件結(jié)構(gòu)尺寸符合圖紙要求。長端相對心盤的“低頭”變形小于2 mm；前、后從板滿足給定的平面度和相互的平行度要求；鑄件頂面平整無凸起；U型口處滿足尺寸公差。

前、后從板，心盤關鍵受力區(qū)域的內(nèi)在質(zhì)量滿足設計和相關標準要求，鋸切斷面見圖8.

4 存在問題及解決措施

圖8 鑄件鋸切斷面圖

圖9 鑄造牽引梁端部氣孔缺陷

端頭矩形結(jié)構(gòu)處由于澆注系統(tǒng)影響，存在外凸情況，導致該矩形結(jié)構(gòu)加工后的殘留壁厚小于設計壁厚。解決措施內(nèi)側(cè)增加2 mm壁厚。

由于澆注系統(tǒng)沿兩側(cè)壁引入，因此臨近內(nèi)澆道的頂部位置最后充滿，存在氣體沒有排出導致的氣孔缺陷，見圖9.解決措施在兩側(cè)內(nèi)澆道的中間部位增加排氣針。工藝改進后效果良好，杜絕了鑄造牽引梁端部氣孔缺陷。

5 結(jié)論

鑄造牽引梁結(jié)構(gòu)類似焊接結(jié)構(gòu)，在鑄造凝固應力的作用下易產(chǎn)生較大的變形量，通過實踐摸索確定合理的反變形參數(shù)，能保證鑄件結(jié)構(gòu)尺寸的穩(wěn)定。

公司共生產(chǎn)整體鑄造牽引梁660余件，鑄件結(jié)構(gòu)尺寸和質(zhì)量穩(wěn)定，合格率達99.5%，并已裝車運用近3年，無不良反饋。

［1］王文清，李魁盛.鑄造工藝學［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1998.

［2］李隆盛.鑄鋼手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1981.

圖1生產(chǎn)出的鑄件

圖1v為生產(chǎn)出的鑄件，從澆注的鑄件上進行取樣，測量其污染層，結(jié)果如圖2.

圖2 氧化陶瓷型殼鑄出的鈦鑄件的表面“α”沾污層顯微組織（×50）

未經(jīng)噴砂酸洗的鑄件的表面“α”沾污層厚度為0.3mm左右，經(jīng)一次噴砂酸洗后其厚度僅為0.06mm.鑄件表面沾污層較小，完全適合小型薄壁鈦合金鑄件的生產(chǎn)。其生產(chǎn)成本遠遠低于常規(guī)生產(chǎn)方法，并且漿料容易控制和保存。

參考文獻：

［1］鄒武裝.鈦手冊［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2012：241-249.

［2］謝成木.鈦及鈦合金鑄造［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004: 152-157.

Practice of Draft Sill Casting Process

LING Yun-fei，WANG Zhe，SUN Bao-jin

（Qiqihar Railway Transportation Equipment CO.LTD.，Qiqihar Heilongjiang 151000，China）

Draft sill is a key load-bearing component which bears longitudinal impact load and vertical load of the train wagons. Welding structure draft sill is usually used on present train wagons in China，meanwhile，casting draft sill is adopted on the 98 t grade coal car developed by QRRS for the first time in China.The casting draft sill is an U-shaped thin-wall casting，the important process of the part is to control structure dimensions and internal solidity of the castings to ensure assembling requirements，running safety performance and reliability.

draft sill，process design，production practice

TG24

A

1674-6694（2015）05-0017-03

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2015.05.005

2015-05-08

凌云飛（1977-），男，高級工程師，主要從事鐵路貨車產(chǎn)品鑄造工藝設計及管理工作。