輕軌車輛用密接式車鉤鑄造工藝研究

賈旭，呂昌略，姜偉航，周子龍

（江蘇朗銳茂達(dá)鑄造有限公司，江蘇江陰 214445）

輕軌車輛用密接式車鉤鑄造工藝研究

賈旭，呂昌略，姜偉航，周子龍

（江蘇朗銳茂達(dá)鑄造有限公司，江蘇江陰 214445）

在鉤體研制過程中，對產(chǎn)品的技術(shù)要求和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)初步的鑄造工藝；利用M AG M A軟件進(jìn)行鑄造模擬分析，通過對鑄造工藝進(jìn)行沖型、凝固過程的模擬計(jì)算和縮松、縮孔的預(yù)測，對工藝進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)確定的工藝進(jìn)行模具的制作，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，進(jìn)行工藝改進(jìn)，并進(jìn)行熱處理試驗(yàn)和尺寸的加工確認(rèn)，研制出滿足要求的鉤體。

密接式車鉤；鑄造工藝；鑄造模擬分析；工藝改進(jìn)

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，城市地鐵車輛、低地板輕軌車輛在大中型城市快速發(fā)展，通過引進(jìn)吸收與自主創(chuàng)新的結(jié)合，加速產(chǎn)品的科技進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)客運(yùn)速度快、運(yùn)量大、安全、準(zhǔn)時等特點(diǎn)。密接式車鉤緩沖裝置安裝于車輛車體上，起連接車輛、緩沖縱向沖擊的作用，能夠顯著降低車輛的縱向沖擊，從而大大提高車輛的舒適性和安全性。江蘇某一線城市100%低地板有軌電車的救援車鉤為密接式車鉤緩沖裝置，列車持續(xù)運(yùn)營速度為70 km/h，最高試驗(yàn)速度為80 km/h。密接式車鉤緩沖裝置包括輕軌用密接式車鉤（以下簡稱QG鉤體）、鉤身?xiàng)U、緩沖吸能裝置（膠泥緩沖器）、高度調(diào)節(jié)裝置（支撐橡膠）、固定裝置、折疊裝置以及中間卡環(huán)連接裝置等。QG鉤體為鉤緩裝置中最為重要和受力較大的零件，采用砂型鑄造進(jìn)行制作。

1 技術(shù)要求及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 技術(shù)要求

QG鉤體需要進(jìn)行射線探傷檢測，關(guān)鍵部位的內(nèi)部質(zhì)量要滿足ASTM E446的П級要求，其余部位滿足Ⅲ級要求；鑄件表面進(jìn)行磁粉探傷檢查，需要滿足GB 9444的П級要求；QG鉤體需要進(jìn)行拉伸、壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)；QG鉤體成份要滿足TB 2942中C級鋼的要求；QG鉤體的力學(xué)性能要滿足表1的要求。

表1 性能要求

1.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

QG鉤體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬于典型的薄壁框型鑄件，加工部位較多，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖1所示，鉤體的主體面壁厚及凸錐壁厚尺寸為8 mm，鉤體連掛面平面的毛坯壁厚達(dá)到26 mm，壁厚懸殊較大（圖2所示），鑄件容易產(chǎn)生裂紋、澆不足、冷隔等鑄造缺陷。鑄件的外形尺寸為480×420×240（mm），中間安裝鉤舌部位和尾部軸孔部位為主要受力部位，經(jīng)過計(jì)算機(jī)仿真分析計(jì)算，材料強(qiáng)度能滿足要求，尺寸的相互關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)，熱節(jié)部位較多，鑄造難度相對較大。

2 工藝方案及優(yōu)化

2.1 鑄造工藝分析和設(shè)計(jì)

QG鉤體主體結(jié)構(gòu)為上下對稱，但連掛面頂面有一側(cè)有方形凸臺，通過整體考慮，分型面選擇產(chǎn)品的中心面，有方形凸臺的面作為上型，這樣有利于對此部位的補(bǔ)縮設(shè)計(jì)，根據(jù)產(chǎn)品的特點(diǎn)，由于鑄件主體壁厚較薄，冒口的水平補(bǔ)縮距離較小，采用小冒口多點(diǎn)補(bǔ)縮，熱節(jié)部位重點(diǎn)補(bǔ)縮，澆注系統(tǒng)采用中間注入式。

圖1 QG鉤體產(chǎn)品圖

圖2 QG鉤體壁厚簡圖

為提高冒口的補(bǔ)縮作用，防止縮孔和縮松的出現(xiàn)，得到組織致密的鑄件，同時，此種材料收縮較大，結(jié)晶溫度范圍較小，采用順序凝固的的原則[1]，使鑄件的側(cè)面凸臺和下型平面結(jié)構(gòu)最先凝固，保證冒口部位最后凝固。在鉤體連掛面頂面中間部位設(shè)計(jì)明冒口，不僅確保補(bǔ)縮質(zhì)量，而且這個部位是鑄件的最高部位，有利于鋼液沖型過程的出氣。為使鋼液沖型過程中，鋼液沖型平穩(wěn)，并且能夠在短時間內(nèi)充滿型腔，不產(chǎn)生澆不足、冷隔等缺陷，設(shè)計(jì)從鉤體的連掛面?zhèn)让嬉脘撘骸榈玫巾樞蚰?，在?cè)面的凸臺部位及遠(yuǎn)離澆冒口的部位放置冷鐵。澆注系統(tǒng)采用開放式的類型，沖型平穩(wěn)，對型腔沖刷較小，澆道面積之比為∑直∶∑橫∶∑內(nèi)=1∶1.12∶1.12。

2.2 鑄造模擬分析

為了加快試制進(jìn)程，獲得合格的鑄件，確保鑄件內(nèi)在質(zhì)量，采用MAGMA軟件對其進(jìn)行了模擬分析和工藝優(yōu)化。首先，采用三維造型軟件建立三維鑄件模型，并構(gòu)造冒口、冷鐵和澆注系統(tǒng)。然后通過STL接口輸入到MAGMA軟件中，并對設(shè)計(jì)的工藝模型網(wǎng)格劃分，并在前處理模塊中輸入初始數(shù)據(jù)，設(shè)置邊界條件，進(jìn)行充型過程、凝固過程模擬計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，①沖型過程比較平穩(wěn)；②觀察熱節(jié)部位，熱節(jié)集中區(qū)域如圖3所示；③用判據(jù)進(jìn)行觀察，分析鑄件可能產(chǎn)生縮孔、縮松的區(qū)域,如圖4所示。

圖3 鑄件熱節(jié)圖

圖4 鑄件凝固后缺陷圖

2.3 工藝方案優(yōu)化

(1)在主氣閥的側(cè)面、凹錐邊緣出現(xiàn)縮松部位放置φ60×90（mm）保溫冒口。

(2)將鉤體連掛面頂面中間部位的明冒口換成保溫冒口，減少冒口中鋼液熱量的散失，提高冒口的補(bǔ)縮效果。

(3)圖4中凸錐和凹錐的中間部位（下型）在凝固過程中，屬于典型的孤立液相區(qū)，在凝固過程中沒有鋼液進(jìn)行補(bǔ)縮，在下部和側(cè)面放置冷鐵，相當(dāng)于減少此部位的模數(shù)，使其迅速凝固，減少缺陷的形成。

3 產(chǎn)品試制及工藝改進(jìn)

(1)根據(jù)優(yōu)化的工藝方案進(jìn)行模具設(shè)計(jì)并制作。用酯硬化水玻璃砂造型、制芯，鉤體頭部凸錐部位的坭芯用鉻鐵礦砂制作，外模、坭芯均刷涂醇基鋯英粉涂料。

(2)QG鉤體澆注后進(jìn)行清砂、澆冒口切割、打磨、磁粉探傷，磁粉探傷檢查過程中發(fā)現(xiàn)QG多處出現(xiàn)裂紋，裂紋主要出現(xiàn)集中于三個部位：①凸錐與連掛面相連接的部位，裂紋長度在50～80 mm之間；②QG鉤體主體面與連掛面相連的內(nèi)外部交接部位，裂紋長度在70～100 mm之間；③鉤舌安裝孔與主體面交接部位出現(xiàn)目視裂紋，如圖5所示。

(3)針對出現(xiàn)的裂紋采取以下措施:①增大凸錐與連掛面相連接的部位的圓角尺寸并設(shè)置防裂筋；②增大主體面與連掛面相交接部位的圓角尺寸并設(shè)置防裂筋；③在鉤舌安裝孔部位設(shè)置防裂筋，并設(shè)計(jì)使用內(nèi)冷鐵，根據(jù)文獻(xiàn)[1]給出的不熔合內(nèi)冷鐵最大直徑的計(jì)算公式 dmax=0.2tUMr1.8進(jìn)行計(jì)算，其中tU=120 ℃，Mr=1.4 cm，計(jì)算出dmax=44 mm；選擇?30 mm的圓鋼作為內(nèi)冷鐵進(jìn)行試驗(yàn)。鑄件澆注后進(jìn)行清砂、澆冒口切割、打磨、磁粉探傷，鑄件表面沒有較大裂紋，熱處理后進(jìn)行機(jī)加工，加工過程中鉤舌安裝孔出現(xiàn)裂紋，如圖6所示。

圖5 安裝孔部位裂紋圖

圖6 加工后安裝孔裂紋圖

(4)熱處理工藝。采用正火+調(diào)質(zhì)的熱處理方式，材料具有一定的回火脆性，在熱處理回火過程中利用快速冷卻的方式進(jìn)行避免，回火后進(jìn)行水冷，在得到高強(qiáng)度的同時得到好的塑性和韌性，金相組織為回火索氏體。

4 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)前期試驗(yàn)的結(jié)果，確定最佳工藝方案：舍棄內(nèi)冷鐵的使用，在連掛面及鉤舌安裝孔出現(xiàn)裂紋部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，并在此部位設(shè)置防裂筋，進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如下：

(1)鑄件表面成型較好，無澆不足、褶皺、氣孔等表面缺陷；

(2)鑄件打磨整理后進(jìn)行DR檢測，所有部位均滿足技術(shù)條件的要求，關(guān)鍵區(qū)域的評級達(dá)到ASTM E446的П級水平，其余部位均達(dá)到Ⅲ級水平；

(3)進(jìn)行鑄件尺寸檢測，均滿足加工要求，縮尺設(shè)置合理；

(4)對熱處理后的同爐試棒進(jìn)行力學(xué)性能檢測，結(jié)果滿足要求，具體數(shù)據(jù)如表2。

表2 力學(xué)性能結(jié)果

5 結(jié)論

(1)在QG鉤體開發(fā)過程中充分發(fā)揮MAGMA鑄造模擬軟件的作用，指導(dǎo)鑄造工藝設(shè)計(jì)，確保內(nèi)部質(zhì)量，縮短開發(fā)周期，，提高研制的成功率。

(2)合理的熱處理方式可以得到良好的綜合機(jī)械性能，QG鉤體采用正火+調(diào)質(zhì)的熱處理方式不僅得到良好的強(qiáng)度和塑性，同時也得到良好的低溫沖擊韌性。

(3)由于內(nèi)冷鐵在鑄件凝固期間阻礙線收縮的應(yīng)力過大而使鑄件產(chǎn)生裂紋，所以工藝設(shè)計(jì)過程中謹(jǐn)慎使用內(nèi)冷鐵。

[1] 中國機(jī)械工程協(xié)會鑄造分會，鑄造手冊：第5卷鑄造工藝[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2003.

[2] 俞樹吉, 荊留生,吳劍敏,等.鐵道客車密接式車鉤鑄造工藝的改進(jìn)與生產(chǎn)實(shí)踐[J]. 中國鑄造裝備與技術(shù),2014(6).

[3] 石炳華. BHP旋轉(zhuǎn)車鉤鉤體鑄造工藝設(shè)計(jì)[J]. 中國鑄造裝備與技術(shù),2010(1) .

Casting technology research of tight-lock coupler for light rail vehicle

JIA Xu,LV ChangLue,JIANG WeiHang,ZHOU ZiLong
（CSR Jiangsu Leadrun Manden Casting Co.,Ltd.,Jiangyin 214445,Jiangsu,China）

In the process of tight-lock coupler development，the technical requirements and structure characteristics were analyzed,and the preliminary casting process was designed.MAGMA casting simulation software was used to optimize the casting process by calculating filling ,solidification and forecasting shrinkage cavity,shrinkage porosity .The moulds were made according to the optimized process.The improvement was put forward according to the test results.After heat treatment test and machining dimensions were studied, the tightlock couplers accorded with the requirements are produced.

tight-lock coupler;casting process;casting simulation analysis;process improvement

TG244；

A；

1006-9658（201 6）04-0067-03

10.3969/j.issn.1 006-9 658.2016.04.01 7

2016-01-23

稿件編號: 1601-1232

賈旭（1983—），男，工程師，主要從事鑄鋼件材料研究及工藝設(shè)計(jì).