淺析棘輪本體金屬模低壓鑄造工藝與模具設計

茍富強

（成鐵重慶機器制造廠資陽分廠，四川 資陽 641300）

棘輪本體是鐵路電氣化接觸網的重要零部件，其性能直接影響鐵路的行車安全。棘輪本體零件圖，如圖1所示。其采用金屬模低壓鑄造，材料牌號為ZAlSi7Mg1A，符合GB/T1173-1995，合金狀態為T5（固溶處理加不完全人工時效），其鑄造狀態為JB（金屬型鑄造+變質處理），抗拉強度為σb≥290 MPa，延伸率為δ5≥2%。除內孔外，其余均不需要機加工。鑄件不許有氣孔，縮松，夾渣等缺陷，表面應光潔，平整。輪體溝槽無毛刺及殘渣。下面就以棘輪本體為例，介紹棘輪本體金屬模低壓鑄造工藝與模具設計。

圖1 棘輪本體零件圖

1 工藝的制定及細化

1.1 工藝的制定

低壓鑄造上部為用于澆注的鑄型（通常為金屬型）；下部為密閉的保溫坩堝爐，用于儲存熔煉好的金屬溶液，鑄型與坩堝間由升液管相聯通。低壓鑄造的工藝過程如下：澆注前先將鑄型預熱到工作溫度，噴刷涂料，以提高其耐火性及表面精度，然后緩慢的向坩堝內通入干燥的壓縮空氣。金屬熔液在氣體壓力的作用，由下而上沿著升液管平穩上升，直到充滿鑄型型腔。充型結束后立刻提高壓力至規定的工作壓力，使金屬熔液在壓力作用下結晶。當鑄件完全結晶后，使坩堝室與大氣相通，撤銷壓力，升液管和澆道中尚未凝固的金屬熔液在壓力的作用下流回坩堝。開啟上型，取出鑄件。制造工藝過程如圖2所示。

在壓力鑄造時，鑄件不需另設冒口，而由澆口兼起補縮作用。為使鑄件實現自上而下的順序凝固，澆口的截面尺寸必須足夠大，而且應開在鑄件的最厚壁處。

圖2 棘輪制造工藝

1.2 工藝的細化

（1）金屬型模

先利用金屬 (一般采用球墨鑄鐵或耐熱沖擊合金)制作零件模具的型腔。然后設置合理的澆冒系統和開合模機構，盡量減少飛邊或大熱節的產生。開合模具、澆注均由鑄機完成，金屬型的結構為上下開合模，兩側為半圓環塑芯，中心孔型芯帶在上模型。

（2）砂芯模具及砂芯制作

砂芯模具采用金屬模。利用金屬(一般采用球墨鑄鐵或耐熱沖擊合金)制作砂芯模具的型腔。砂芯制造采用制芯機制造，沙子采用覆膜砂。制出的砂芯必須光潔、有足夠的強度和干燥度，避免發氣量過大。砂芯如保存超過一天，最好在使用前進行烘干處理。

（3）金屬熔煉

鋁合金采用電阻爐進行熔煉、保溫，鋁合金(ZAl-Si7Mg1A)熔煉溫度在730～770℃。熔煉的金屬液成分、溫度必須滿足要求，方可將合金液注入低壓鑄機進行澆注。

（4）合模澆注

在低壓鑄造時，鑄型的填充過程是靠坩堝中液體金屬表面上氣體壓力作用來實現的。所需氣體的壓力可用下式確定：p=μρgH。

根據鑄件形成過程可分為升液、充型和凝固(結晶)三個階段，其所需的壓力及增壓速度也不同。

（5）開模取件

當鑄件冷卻固化后，可開模取出鑄件。鑄件要自然頂出，如發生卡殼現象，必須平穩的用小撬棍輕撬，有松動后再用鉗子夾出。

（6）清理澆冒口

切割鑄件澆冒口采用手工鋸、圓盤鋸、帶鋸或砂輪切割均可。在切割時不能殘留過多或傷到鑄件。對棘輪輪毅轂上的澆冒口可直接車除。

（7）鑄件變形的校正

鑄件變形校正應在淬火后立即進行，根據鑄件特點和變形情況選擇相應的矯正方法，矯正時用力不宜過猛，要緩慢均勻。

（8）表面處理

用水噴砂處理或噴石英砂處理，將表面氧化及污物清理干凈即可。

2 模具設計及改進

2.1 模具設計方案

棘輪外形主體結構是典型的回旋體。棘輪由輪轂、輪輻、輪輞、棘齒及棘輪大小輪繩槽組成。輪轂為圓形，中間的軸孔采用機加工成形；輪輻是十字交叉形狀；輪輞為圓弧過渡至平面。外圓是一棘輪齒及深為15 mm的棘輪槽。輪中心兩側面對稱凸起有帶輪槽的小圓形，分模面可以采用通過輪輻中心的平面作為分模面。模具可做成上下兩開模，但輪槽無法形成，必須另外下芯形成。根據低壓鑄造的特點，可采用金屬圓環型芯形成輪槽。這樣模具主要由上下模及兩側半圓環型芯等四塊模具形成。而對稱凸起有帶輪槽的小圓形上的輪槽仍無法直接形成，根據其特點，可以采用砂芯形成。澆冒口直接開在輪轂上(也可以在靠近棘齒的輪輻端增加兩個澆冒口)，軸預留孔用中心芯(分流錐)形成。整個輪的關鍵是：外形圓度、平整度，輪槽的直徑、形狀，輪槽與軸孔的同軸度的控制。

2.2 工作過程及模具改進

2.2.1 工作過程

低壓鑄造的工藝設計必須充分考慮棘輪本體金屬模低壓鑄造的順序填充(自下而上)和順序凝固(自上而下)的特點，根據鑄件形狀、壁厚及性能要求進行合理設計。因為低壓鑄造不太適合于壁厚、體積變化非常大的鑄件，對那些因功能設計而不滿足形狀設計要求的零件應盡量避免。澆口應選擇在能夠確保盡可能大的橫截面的部位。離澆口比較遠且體積比較大，不能滿足順序凝固條件的地方，可設置過渡澆道，以起冒口補縮效果口。在低壓鑄造時，因液體金屬的填充條件得到改善，且保溫好并直接自密封坩堝進入鑄型，故澆注溫度一般比重力澆注低10～20℃。如果是鋁合金，澆注溫度在680～730℃之間。金屬液澆注溫度應嚴格控制，波動不能太大，否則將影響生產效率及鑄件品質。當澆注溫度偏高時，鑄件可能產生內澆口不能凝固而回流，形成內澆口空洞缺陷，還有可能產生飛邊、縮孔/縮松、粘砂(有砂芯時)等缺陷。若溫度偏低，則有可能產生充型不良、冷隔及內澆道凝固堵塞等。

2.2.2 模具的改進

（1）分型面的選擇

棘輪本體金屬模低壓鑄造鑄件分型面的選擇遵循一般的鑄件分型設計原則，此外還應考慮：若采用金屬型，在開模后，應使鑄件留在上模或側模中，便于頂出鑄件；分型面的選擇應有利于設置澆道和氣體排出。

（2）澆注系統設計

相比較而言，棘輪本體金屬模低壓鑄造的澆注系統不像其他鑄造成形方法那樣復雜，但在決定澆口位置、數量、大小時，必須使鑄件符合如前所述的順序凝固原則。同時，要確保合適的澆口截面積，以避免澆注時形成紊流。

（3）模具設計

棘輪本體是關鍵零部件，對產品的模具設計要求相對較高。對本鑄件來說，主要表現在一些部位厚度不均，如果調整過多又會造成變速箱內各零件相互碰撞，造成本鑄件幾何尺寸不合格，甚至超差比較大。在未使用鑄造卡板前，公司每月有15件左右的箱體鑄件因幾何尺寸不合格而報廢，通過使用鑄造卡板后，現在每月僅有1～2件箱體幾何尺寸不合格而報廢，而這些箱體報廢的原因主要是型板、模具、砂箱、烘芯板磨損與變形造成的。通過幾年的使用，我們認為鑄造卡板設計制作簡單，投入少、效果好。

低壓鑄造時，金屬液凝固是自上而下，故鑄件的補縮應自下而上，最后通過澆道實現。對于棘輪輪轂處，由于熱節處于分型面附近，鑄件縮松現象比較突出。因此，鑄件在鑄型中位置的安排、加工和工藝余量的確定，冷鐵的放置應該使鑄件遠離澆口處先凝固，靠近澆口處后凝固，澆口本身應該最后凝固。

金屬型模腔的涂層主要起到兩個方面的作用：一是蓄熱，即防止金屬液體直接沖刷型腔而產生型腔局部過熱及鑄件產生冷隔等缺陷；二是導氣，由于涂層顆粒間有間隙，可使型腔中的部分氣體通過涂層間隙充分逸出。實踐證明，模具溫度控制在250℃左右時進行噴涂，涂料和模具的粘結最為牢固。對棘輪本體薄壁大形鋁鑄件，涂層厚度控制在0.2～0.3 mm，效果最佳。

根據以上工藝細化和模具改進，成功批量生產出如圖3所示產品實物。為我廠打開鐵路市場奠定了基礎。

圖3 棘輪本體實物圖

3 結束語

低壓鑄造由來已久，被廣泛的應用在各個工業產品的生產中，棘輪本體中的低壓鑄造是一個精細的工程，這其中牽扯到包括工藝的制定和細化，模具的設計和改進等等，雖然現在的工藝越來越完善，然而這中間還存在著很多問題仍需不斷改進和完善，相信隨著科技的不斷發展、人們的不斷探索，低壓鑄造會更完美的應用于棘輪本體的鑄造中。

[1]錢國統，金柳軍.雙動式棘輪牽引機構設計與應用[J].上海有色金屬，2008，（2）：73-75.

[2]趙正雄.棘輪的鑄造工藝設計[J].鑄造技術，2003，（1）：22-23.