45 t大軸重側架鑄造工藝研究及應用

王哲

（中車齊齊哈爾車輛有限責任公司，黑龍江齊齊哈爾 1610 02）

45 t大軸重側架鑄造工藝研究及應用

王哲

（中車齊齊哈爾車輛有限責任公司，黑龍江齊齊哈爾 1610 02）

隨著重載貨車的技術的不斷發展，我公司研制了目前軸重最大的45 t軸重轉向架側架，為確保公司重載戰略的順利實施，進行了45 t軸重側架鑄造工藝開發工作。本文通過對45 t軸重側架進行結構分析，并針對其制造難點，進行鑄造工藝設計，并采用P r o C A S T對鑄造過程進行數值模擬分析,根據分析結果優化了鑄造工藝。經生產驗證結果，鑄件滿足產品各項技術要求，達到了預期的效果。

45t軸重；側架；鑄造工藝

D

O I：10.39 69/j.i s s n.100 6-96 58.2017.05.014

我公司出口澳大利亞的45 t軸重礦石車，是目前世界上最大軸重的鐵路貨車，45 t軸重轉向架是鐵路貨車走行部分核心部件，該轉向架為鑄鋼三大件式轉向架。側架是轉向架的基礎，它把轉向架各零部件組成一個整體，承受、傳遞各種作用力及載荷，因此其鑄造質量對貨車運行安全性、可靠性具有重要的作用。本文針對45 t軸重側架結構特點和技術要求，設計了鑄造工藝方案，并通過ProCAST軟件進行數值模擬分析，針對分析結果優化技術方案。實踐證明，所制定的工藝方案可行，效果良好。

1 側架結構特點及工藝難點

側架成品鑄件的質量約812.11kg，最大外形尺寸為2470.6 mm×520 mm×483 mm，大體壁厚在14 mm～16 mm之間，最大壁厚在達50 mm，其結構屬于典型的復雜薄壁類鑄件。局部壁厚變化較大，熱結比較分散，鑄件溫度場分布不均勻，內部密實度不易保證。材質為ZG25MnCrNi的低合金鋼，屬于亞共析鋼，凝固結晶溫度范圍較寬，如果凝固方式控制不當，易形成裂紋。

2 工藝方案

側架采用酯硬化水玻璃砂造型,制芯,分型面選定在縱向中心面上，澆注系統由側架上懸梁處引入(如圖1所示) 。在產品高點及鋼液匯流區域設置排氣針及排氣冒口,在局部熱解部位設置補縮冒口,個別部分布置冷鐵進行激冷,使鑄件接近同時凝固。

圖1 工藝方案

2.1 澆注系統計算可根據以下經驗公式[1]計算。

(1)澆注時間

t=G/ Vg≈22s

式中， G為鑄件毛坯質量（鋼液質量921kg）；Vg為鋼液的質量流率為42kg/s，包孔直徑為45 mm，見表 1。

表1 不同注孔直徑澆注流量速度V平均值

液面上升速度是獲得優質鑄件的一個重要因素之一，根據經驗鑄件質量在500 kg～1000 kg液面上升速度在12～20 mm/s。上述所求得的澆注時間是否合適，通過經驗公式驗算：

v=18 mm/s

根據驗算可知，澆注時間符合經驗公式要求。

(2)澆注系統各組元截面

根據我公司在側架制造中長期實踐經驗，各截面比值為ΣF包:ΣF直: ΣF橫: ΣF內=1:1.8:1.8:2.2，經計算，ΣF直≈ 29 cm2，ΣF橫≈ 29 cm2，ΣF內≈35 cm2，

3 數值模擬及分析

采用ProCAST軟件對側架的鑄造過程進行模擬。對側架鑄造工藝方案流體場、溫度場及收縮位置進行分析。確定可行性。

根據側架生產實際情況設定邊界條件及初始條件，設定澆注溫度1580 ℃、鑄型及環境溫度為20 ℃、澆注速度為42kg/s，相應的澆注時間為22s。

3.1 流動場分析

液態金屬的充型過程中和流動形態直接影響鑄造的質量，根據充型過程中金屬液體的流動形態及穩流程度，可以發現鑄件在充型過程中可能產生冷隔、澆注不足、卷氣、夾渣、粘砂等缺陷。如圖2示。

圖2 側架充型過程流體場

從圖2可以看出，在充型6 s時鋼液的流動較為平穩，隨著充型過程的進行，由于鋼液前沿撞擊鑄件型腔而受阻回流，在18 s左右出現穩流，此期間可能出現卷氣夾渣等鑄造缺陷。在重力及粘性力的作用下，液態金屬逐漸趨于穩定。同時在鋼液匯集及鋼液上升受阻部位設置了冒口及排氣針進行排氣。由上述分析可知，澆注系統設計合理。

3.2 凝固溫度場的數值模擬

凝固過程的溫度場反映凝固過程中鑄件各部位的溫度變化，據此可以發現鑄件凝固過程中形成鑄造缺陷。

圖3 凝固過程溫度場（℃）

從凝固過程的溫度場可以看出，內澆口附近及部分冒口根部存在收縮缺陷。具體分析如下：

(1)鑄件壁厚變化較大及流道部位產生的熱量積聚，鑄件并不是順序凝固。立柱面下部及側架腹部壁厚較大部位凝固較周圍慢，容易產生孤立液相區，如圖4.a所示。

(2)上懸梁處冒口在設計時，未考慮冒口根部和鑄件連接處由于鋼液流通效應及熱對流形成接觸性熱節[3]，使熱節下移至冒口根部形成缺陷，如圖4.c所示。

圖4 鑄件缺陷預測分析

(3)邊A冒口在設計時側重考慮造型工藝，使冒口設計受限，模數偏小，如圖4.d所示。

(4)立柱物理熱節相對較小，但立柱上部結構為階梯狀，原冒口設計意圖為排氣兼補縮作用，從模擬分析結果來看，設計并不合理，如圖4.b所示。

針對上述問題，對側架工藝進行逐一改進：

(5)在立柱及側架腹部采用冷鐵進行激冷，方案見圖5，進而消除縮松及縮孔類缺陷傾向。

(6)取消上懸梁冒口及立柱冒口，并在立柱面上布置排氣針，彎角處布置冷鐵進行激冷。

(7)增加邊A冒口尺寸，將冒口設計成倒錐形，方案見圖6所示。

圖5 冷鐵布置方案

圖6 冒口改進方案

對改進后的方案進行在再次模擬，根據分析結果可知改進后的方案缺陷基本消除，分析結構如下：

圖7 改進后的鑄件缺陷預測

圖8 實物鑄件

4 試驗驗證

根據模擬結果對工藝方案進行優化后，進行了側架的現場驗證工作。實踐表明優化的側架鑄造工藝合理，鑄件表面光潔，未發現肉眼可見的縮孔、裂紋等鑄造缺陷，經整體磁粉探傷檢測、關鍵區域斷面解剖（圖9），未發現大的鑄造缺陷，滿足產品技術條件的要求。

圖9 實物斷面解剖照片

為全面評定內部鑄件內部質量，對側架采用DR成像法及工業CT檢測[3]。 DR成像法（Digiral Radiography），一般在一個方向上由膠片或者探測器接收穿過工件的射線得到圖像數據。工業CT（Computerized Tomography）通過對鑄件各方向的掃面獲得斷面CT圖像，影響清晰，是目前最為可靠的無損檢測手段之一。通過DR及CT檢測可知側架密實度優良，結果如圖10所示。

5 結語

（1）鋼液主要流經通道及流道收窄區域會產生大量的熱量積聚，進而影響溫度場分布，這些區域在凝固過程中容易出現孤立液相區，可能產生鑄造缺陷。此方案中在側架立柱及腹部布置冷鐵進行激冷，平衡溫度場來降低缺陷的形成。

（2）數值模擬軟件是有效的數值分析軟件，可以輔助分析鑄造工藝的合理性，節約鑄造工藝設計時間，降低開發成本。

（3）工藝方案設計合理，滿足產品各項要求，取得了理想的效果，經過了生產實踐的檢驗。

圖10 產品內部密實度檢測

[1] 李弘英，趙志成.鑄造工藝設計[M]. 北京：機械工業出版社，200 5.2.

[2] 范金輝，魏兵，汪鋒.鑄件熱節系統性的研究[J].鑄造技術，200.3

[3] 曾理，蒲云，馬睿.基于工業CT的鐵路貨車鑄件缺陷自動檢測[J].中國鐵道科學，200 9.7.

Research and application of casting process for 45-ton heavy axle load side frame

Wang Zhe
(CRRC qiqihar rolling stock Co., Ltd., Qiqihar 161002,Heilongjiang,China)

As the continuous development of technology on heavy load wagons, our company(CRRC QIQIHAR) has developed the 45-ton axle load bogie which is the heaviest load bogie in the world. The 45-ton axle load side frame casting process development has been carried out .to ensure the implementation of the our company's strategy for heavy load wagons. In this paper, the structural analysis of the 45-ton axle load side frame was simulated by using ProCAST software , after which the casting process was optimized according to the simulating results. By production verif i cation, the quality of castings meets the technical requirements of the product , which succeeds to achieve the anticipated.

45-ton axle load；side frame；casting process

T G 244；

A；

100 6-96 58（2017）05-00 42-04

2017-05-23

稿件編號:170 5-179 7

王哲(198 5—），工程師，主要從事鑄造工藝的開發研究工作.