中国动车制动系统杠杆铸件工艺研究

2018-08-06李晓明李从发

铸造设备与工艺 2018年3期

李晓明，李从发

（芜湖新兴铸管有限公司，安徽芜湖 24100）

随着国家动车与高铁的快速发展，带动了相应铸件的需求与发展，由于动车与高铁的快速运行，每一部分的每一个零部件质量要求非常高，160 k m动车制动系统的杠杆铸件产品结构相对简单，但外观质量与内在质量要求非常高，前期在中车某厂采用手工造型树脂砂工艺生产，我公司承接了产品批量化生产任务，组织了相关工艺研发与产品试制工作。

公司采用煤粉砂静压造型工艺生产此产品，实现机械化自动化生产，生产效率极高，大大节约人力成本，熔炼方式为高炉-中频炉双联熔炼，高炉铁液储存在20 t中频保温炉内，利用3台5 t中频感应电炉对高炉铁液进行调质、升温处理。

产品材质要求：Q T600-7，抗拉强度R m≥600MPa，屈服强度R p0.2≥380 MPa，断后伸长率A≥7%，布氏硬度150-220HB W，石墨大小≥5，球化级别≥3，主要基体组织珠光体≥25%，其余铁素体，表面粗糙度按GB/T6060.1标准，粗糙度必须在R a≤50，不允许存在任何缺陷或瑕疵。对图1所示的关键部位进行射线探伤。质量等级按照GB/T 5677《铸钢件射线照相及底片等级分类方法》中的规定判定，缺陷等级不大于：A类、B类3级，C类2级，不允许有D、E、F和G类缺陷。

图1 关键部位图示

1 浇冒口设计

1.1 产品结构分析

产品外形如图2所示，产品结构简单，壁厚均匀，最大长度320 mm，最大宽度251 mm，最大壁厚36 mm，最小壁厚20 mm，6个孔与外边缘加强凸台不同心，孔不可以铸出，只能靠加工来实现，4个热节最大尺寸28 mm，原工艺设计树脂砂工艺手工造型，6个孔和4个热节靠冷铁与发热冒口补缩。

图2 产品外形示意图

本公司静压线砂箱有效尺寸1300mm×900mm，自动化造型浇注，生产节奏60～80箱/h，不能实现人工下发热冒口和冷铁，所以只能考虑采用常规压力冒口补缩。

1.2 浇冒口设计

根据砂箱尺寸与产品尺寸大小，一箱4件，直浇道在中间，下部设置过滤网，内浇道通过冒口进入铸件型腔。

设计三种浇冒口方案，采用华铸CAE模拟软件对每一个工艺方案进行虚拟数字化模拟，定性分析评价工艺方案的可行性。

方案一：如图3所示，只在两端设计冒口，共两个冒口，靠近浇注系统的第一个冒口温度高，补缩两个孔为主，兼补两个热节，尺寸最小，末端温度最低，补缩两个孔，兼补两个热节，尺寸较大。整个铸件体收缩按1.5%～2%计算，冒口有效利用率按16%～18%，冒口补缩距离到冒口最高点的夹角按7度计算。凝固过程模拟如图4所示，除了冒口部分有缩孔外，制件中间有缩松缺陷。

图3 浇注系统设计方案一

图4 方案一凝固过程模拟结果

方案二：如图5所示，在中间增加一个冒口，按三个冒口设计，靠近浇注系统的第一个冒口温度高，补缩两个孔为主，兼补两个热节，尺寸最小，中间冒口补中间两个大孔同时兼补4个热节，尺寸最大，末端温度最低，补缩两个孔，兼补两个热节，尺寸居中。整个铸件体收缩按1.2%～1.5%计算，冒口有效利用率按16%～18%，冒口补缩距离到冒口最高点的夹角按9度计算，经过凝固过程模拟仍有轻微缩松，凝固过程模拟结果见图6.

图5 浇注系统设计方案二

图6 方案二凝固过程模拟结果

方案三：如图7所示，靠近浇注系统的第一个冒口温度高，补缩两个孔为主，兼补两个热节，尺寸最小，中间冒口补中间两个大孔同时兼补4个热节，尺寸最大，末端温度最低，补缩两个孔，兼补两个热节，尺寸居中。整个铸件体收缩按1.8%～2%计算，冒口有效利用率按16%～18%，冒口补缩距离到冒口最高点的夹角按9度计算，经过凝固过程模拟效果良好，缩孔与缩松集中在浇冒口里，如图8所示。

图7 方案三浇注系统设计

图8 方案三凝固过程模拟结果

2 熔炼工艺与成分确定

经过几次铁水成分浇注实验及结果分析，发现随着碳含量降低和硅含量升高，抗拉强度与延伸率呈现上升趋势，另外需要增加铜含量以提高强度，为了提高延伸率还要控制磷含量和钛含量，最终确定了熔炼工艺标准，表1为材料化学成分。

表1 材料化学成分（质量分数，%）

3 利用3D打印快速成型技术试生产

3.1 3D打印机打印树脂砂砂型

采用安徽恒利增材制造科技有限公司生产的HLP系列智能3D打印机打印树脂砂砂型，设备最大成型尺寸1 500 mm×1 000 mm×750 mm，分层厚度0.2 mm～0.5 mm，喷头系统为N×1 024 P数组式喷嘴，可成型材料有焙烧砂、陶瓷砂、C B砂等，砂芯尺寸精度0.15 mm.打印分上下型打印，如图9和图10所示。