國產化動車組用C 型支架鑄造工藝研究與優化

郭建設，白 云，孫亞肖，張劍云，李 林

（中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司，江蘇常州 213011）

動車組用C 型支架作為連接齒輪箱和轉向架的關鍵受力件，其表面要求100%磁粉探傷，關鍵部位需達到GB/T 9444 標準的Am1-Sm1 級，且需按照GB/T 5677 標準進行一定比例的射線探傷，關鍵部位A、B、C 類缺陷不超過二級，所有區域不允許存在D、E、F、G 類缺陷。外觀方面要求關鍵部位不得存在直徑超過3mm、深度超過2mm 的缺陷，因此鑄造工藝難度較大。我司接到某型號動車組用國產化C 型支架訂單任務后，本文作者隨即進行了一系列鑄造工藝開發工作，在產品試制初始階段，嘗試采用的工藝存在較多夾砂缺陷，一次DR 探傷合格率均低于80%，且造型不便，既增加制造成本又影響量產交貨期，因此，需要優化鑄造工藝。

本文采用MAGMA 鑄造工藝模擬軟件對不同鑄造工藝進行分析計算，在保證不明顯增加卷氣紊流等問題的前提下，通過對細節多次優化，最終得到了一個比較優良的工藝方案，實現造型簡便的同時，DR 一次探傷合格率也達到了95%左右，達到預期目標。

1 原鑄造工藝

考慮到該產品對內部夾砂等缺陷要求較高，原鑄造工藝采用了較為保守的底鑄方式，以期通過平穩澆鑄來減少鋼水對砂型的沖刷[1]，分別嘗試了活塊+吊砂和預埋陶瓷管兩種方式，如圖1 所示。

圖1 底鑄式鑄造工藝

采用上述鑄造工藝進行生產時發現，活塊+吊砂工藝在造型時起模不便，活塊取出時易導致砂型破損，且吊砂結構在合箱過程中容易出現擦砂，而合箱階段掉落在型腔的砂塊不易被發現也難以取出。此外，澆道較為曲折，拐角處存在多個鋼水沖刷小平面，增加了沖砂剝落概率，最終導致澆注的鑄件內部易出現夾砂缺陷。預埋陶瓷管工藝造型不便，陶瓷管對接處的型砂也容易因塞砂不實而出現剝落，同時，鋼水從陶瓷管兩端與砂型型腔結合處通過時存在沖砂問題，尤其鋼水溫度較高或者澆注時間較長的情況下砂塊剝落傾向更大。有關研究表明，當樹脂砂加熱溫度為700℃時，砂粒表面的樹脂膜在5min 內便會被完全燒損[2]。因此，澆道及澆口附近型砂在長時間澆注和鋼水凝固過程中，長期處于700℃以上高溫烘烤狀態，出現一定程度的潰散，在鋼水流場沖刷下，表層型砂產生逐層剝落，剝落的砂子隨著鋼水在型腔內流動并逐漸聚集和上浮，導致鑄件上端面出現砂眼缺陷。

以上兩種鑄造工藝均存在因造型擦砂或鋼水沖砂導致的鑄件夾砂問題，致使鑄件射線探傷一次通過率均低于80%，給后續挖補返修造成較大工作量，且約10%的鑄件難以焊修而直接報廢。

2 工藝改進過程及分析

針對原工藝操作不便導致鑄件容易出現缺陷這一問題，在保證產品質量的前提下，從操作簡便性為切入點，大膽嘗試采用上下型直接合箱的鑄造工藝（見圖2），橫澆道直接放在分型面上從而避免了吊砂、活塊等結構，大大簡化了造型、合箱操作，同時，為降低直澆道中鋼水沖刷砂型風險，在直澆道與橫澆道連接處正下方放置了一塊陶瓷片。此外，內澆口的位置則選擇設在支架“腿部”厚大位置，以最大限度減弱內澆口處鋼水對砂型型腔的沖刷。

圖2 中注式鑄造工藝

3 改進效果

3.1 縮松情況

采用MAGMA 軟件對改進后的鑄造工藝進行模擬分析，其縮孔縮松缺陷分布情況如圖3 所示，從圖中可以看出在鑄件內基本消除縮孔縮松缺陷，只有在內開襠處存在輕微縮松缺陷，經評估滿足技術要求，即該鑄造工藝補縮良好，且這一結果在對試制件的DR 射線探傷結果中得到了驗證，縮松區域占比約為2%，且等級不超過三級，滿足非關鍵區域技術要求。同時，對首批試制件實物機加工情況進行了跟蹤，發現全部實物機加工面均不存在縮孔縮松、氣孔等缺陷，且上表面等易出現夾砂夾渣的部位也不存在此類缺陷，說明該鑄造工藝能夠很好地避免造型擦砂、充型卷氣等問題（見圖4）。

圖3 改進工藝后的MAGMA 模擬縮孔縮松缺陷結果

圖4 改進工藝后的實物機加工驗證情況

3.2 本體性能檢驗

為進一步檢驗新工藝補縮情況，同時也為了保證關鍵區域本體性能滿足技術要求，本文隨機抽取了一件試制件，在圖3 左圖所示方框標記的四處關鍵區域分別取了一個本體拉棒，其力學性能檢測結果及技術要求見表1。從表1 中可以看出，四個試樣的力學性能均達到技術指標要求，說明四處關鍵區域的補縮效果良好，不存在影響力學性能的縮松缺陷。

表1 本體力學性能取樣檢測結果及驗收技術要求

本文還對后續小批量生產的實物探傷、機加工情況進行了跟蹤，據統計，37 件C 型支架實物DR 探傷一次性通過35 件，即DR 探傷合格率為94.6%，全部實物機加工面均未出現夾砂夾渣、縮孔等缺陷，驗證了該工藝的穩定性和可靠性。

4 結論

（1）進行鑄造工藝設計時需充分考慮造型簡便原則，否則實際生產中極易出現夾砂等缺陷而降低成品率。

（2）內澆口位置需盡量選擇鑄件厚大部位，可以有效降低鋼水流速，以減弱對砂型內腔的沖刷，有效提升產品外觀及內部質量。