E尾框潮模砂气冲造型生产工艺实践

刘喜林

（齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司二钢车间，黑龙江 齐齐哈尔 161002）

E尾框是车钩缓冲装置的重要组成部分，处于钩缓装置的中间部位，前部通过钩尾销与E型车钩连接，中部厚壁部分起前从板作用，后部与缓冲器连接，要承受来自各方向的扭距、牵引和冲击，同时执行美国铁道协会“AAR”及Keystone公司专用质量控制和验收标准，外观和内部质量要求严格，但经过对该产品的工艺设计及反复验证，终于使该产品的质量达到Keystone公司的要求。

1 产品结构和工艺性分析

1.1 产品结构分析

E尾框是车钩缓冲装置的重要组成部分，是典型的箱形结构，结构复杂，壁厚不均，最薄处仅为14.5 cm，而最厚处则达70cm左右，内腔各面结构均不相同，导致各面相惯处结构更加复杂，铸件简图如图1所示。

E尾框材质为E级钢（25MnCrNiMo），其化学成分和机械性能符合美国铁道学会“AAR”标准中“M 201”的技术要求。

1.2 工艺性分析

E尾框结构复杂，在生产过程中由美方提供的30块控制样板及5个尺寸的划线记录对交验的产品进行检测，在加工时采用毛坯定位划线加工，并且与车钩及缓冲器组装面均为毛坯配合，以保证具有良好的加工、装配和互换性能；同时对产品密实度进行X射线探伤检查，要求全部达到3级及3级以上标准。在工艺上存在如下几个难点需要解决：

图1 E尾框铸件简图

1）在装缓冲器的方形腔和装车钩的空腔之间为一厚壁结构，尺寸为287mm×243mm×70mm，与之相接的部位最大壁厚为60.3mm，而最小壁厚仅为14.5mm，因凝固速度不同，将极易在该处产生缩孔及缩松，而此处要起前从板的作用，根据Keystone公司标准要求，须符合“ASTM466”铸钢件标准X射线照片的等级——Ⅲ级。

2）对组装车钩的空腔及摆角尺寸要求极严，由组合样板（包 括 QCA1661、QCA1181、QCA2201、QCA2202、QCA2525 和 QCD2270）按标准 QCA1160检查，其要求摆角在8°～9°之间，但因结构原因，内腔变形情况复杂，没有有效的分析和解决方法。

3）组装缓冲器的环形腔和方形腔的结构复杂且尺寸要求极严，由组合样板 （包括QCA2228、QCA2229和QCA2294）按标准QCA2227检查，但主要曲面大部分无法直接得出，模样制造将是关键，且下方开口，将有可能产生变形。

4）外观质量符合STD E 5288的标准，特别在托车钩磨耗板处要求没有砂眼及其他铸造缺陷，而此处是E尾框下平面的相对高点，是理论上的集渣处。

E尾框全形样板为整体通过式，并有间隙要求，而因内腔的复杂变形将影响到尾框的外形尺寸变化。

2 气冲造型工艺方案的确定

2.1 气冲造型线的主要参数

我公司所引进的生产线能够自动完成分箱、造型、翻箱、下芯、合箱等。各项工序过程，其的主要性能指标见表1。

表1 气冲造型线主要性能指标表

2.2 工艺方案的确定

针对E尾框的结构特点和质量要求，采用一箱一件、水平分型、水平浇注；在模型和砂芯设计时，收缩率采用20‰，下箱须设积砂槽，砂芯由5块组成，芯盒全部采用脱落式芯盒，其具体工艺参数和工艺布局如下：

1）拔模斜度

由于该件尺寸精度较高，且在铸造和热处理过程中易产生变形，拔模斜度的选取对尺寸精度影响很大，为此须选用不同的拔模斜度，两个侧耳采用负拔 0°45’，外形为正拔 0°30’，其余为正负拔 0°45’。

2）浇冒口的布置

浇注系统采用“中间注入式开放式”使浇注平稳，同时浇口碗、直浇道、内浇道采用耐火制品，使浇注系统有足够的耐火度和强度，避免冲砂和夹砂缺陷。为保证铸件的“密实度”符合“ASTM466”铸钢件标准X射线照片的等级，在尾框70mm厚壁上方设置一个φ160mm的明冒口，并在冒口外设保温冒口套，便于补缩、集渣和排气（图2）。

图2 E尾框工艺分析简图

3）合箱及合箱至浇注时间的确定

潮模砂造型，铸型表面易“风化”，造型至合箱时间越长“风化”越严重，易导致砂眼缺陷，故造型至合箱时间确定为30min以内。为避免合箱后砂芯“吸潮”强度降低，合箱至浇注时间确定为2 h以内。

4）为避免砂眼缺陷，造型时采用面砂，提高砂型的表面强度和抗风化能力，面砂配比及性能见表2。

表2 面砂配比及性能表

5）芯砂种类

号芯芯砂采用合脂锆英砂打制，保证标记清晰；其余砂芯采用聚丙烯酸钠树脂砂打制，保证砂芯的退让性，并在表面涂刷醇基锆英粉涂料，改善砂芯的表面强度和耐火度。

6）钢水浇注温度：1550℃～1580℃。

3 铸造缺陷及工艺改进措施

3.1 气孔

在生产过程中，由于E尾框为箱形结构，所采用砂芯体积过大，而树脂砂芯发气量很大，在浇注过程中气体排不出去，导致铸件产生气孔和浇不足的缺陷，上表面加工后气孔最大直径达到φ10mm。对此采取的工艺措施如下：

1）在1#、2#芯内设置方形或圆柱形掏空及圆柱形排气道，掏空与排气道相连，并将此排气道与砂型上设置的通气针相通，形成一个完整的通道，提高气体排放效率，并保证钢水浇满后，气体也能由此排出型外；同时可减少树脂砂用量，减少气体来源。

2）在铸件上设置排气针，排除浇注初期的气体。

3）在砂型与砂芯芯头相接处设置排气道，提高气体排放效率。

3.2 缩孔、缩松

E尾框在X射线检测时发现，在厚壁处，装车钩的方口两侧厚筋处，放磨耗板平台下方存在缩松，不符合标准要求。对此采取的工艺措施如下：

1）把1#芯采用树脂砂和水玻璃铬矿砂联合打制（铬矿砂配比及性能见表3，提高厚壁部位的凝固速度，以保证此处与其它部位同时凝固，同时可以保证产品尺寸要求。

2）在2#芯靠近方口两侧厚筋处设置两块100mm×40mm×20mm冷铁，加快此处凝固速度。

3）与美方协商，在不改变结构强度的情况下，改进磨耗板平台下方结构，尽量使壁厚均匀，保证同时凝固。

表3 铬矿砂配比及性能表

3.3 变形和尺寸超差

由于E尾框为箱形结构，凝固状态复杂，导致各处铸造应力不同，使两个空腔外胀，尺寸超差。对此采取的工艺措施如下：

1）在 E 尾框 1#、2# 芯上设置 0.5mm～2mm 的反变形量，抵消铸应力的影响。

2）调整E尾框各部位尺寸，优化拔模率和收缩率的的选用，抵消铸造应力对收缩率的影响。

3.4 粘砂和冲砂

E尾框浇注系统是从侧耳处引入，由于钢水温度高，冲击力大，在侧耳弯角处及下方产生粘砂和冲砂缺陷，导致表面质量差、砂眼及尺寸超差。对此采取的工艺措施如下：

1）将侧耳弯角处所培面砂改为潮模锆英砂，提高此处蓄热系数和耐火度。

2）在侧耳下方对应钢水冲击处预埋一块耐火砖，提高此处的耐火度及抗冲刷能力。

4 结 论

通过反复的工艺改进，E尾框在潮模砂气冲造型线上投产获得成功，经各项检查，达到Keystone公司的要求，并小批量生产，交付用户使用。

［1］王文清.铸造工艺学［M］.北京：机械工业出版社，2009：365.

［2］李庆春.铸件形成理论［M］.北京:机械工业出版社，1989：50-100.