一種鋁合金齒輪箱體氣孔缺陷原因分析及解決措施

孫亞肖，李向平，白 云，查明暉

（中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司，江蘇 常州 213011）

城際動(dòng)車組在原動(dòng)車組基礎(chǔ)上，依據(jù)公交化城際運(yùn)營(yíng)，具有運(yùn)能大、快起快停、站間距短、節(jié)能環(huán)保、安全性好等優(yōu)點(diǎn)，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的持續(xù)發(fā)展和城市化水平的不斷提高，將在中短途運(yùn)輸、大城市近郊、大城市與衛(wèi)星城市之間，發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

城際動(dòng)車組齒輪驅(qū)動(dòng)裝置作為地鐵車輛轉(zhuǎn)向架核心部件之一，它主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)電機(jī)與動(dòng)力輪對(duì)之間的動(dòng)力傳遞并將電機(jī)轉(zhuǎn)速降低到適合于輪軸旋轉(zhuǎn)的水平。齒輪箱體作為整個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置的載體，一旦齒輪箱出現(xiàn)故障,將造成車軸卡滯,極端情況下還可能造成車輛脫軌甚至更大的安全事故，因此齒輪箱鑄件質(zhì)量的好壞將直接影響到動(dòng)車組運(yùn)行的安全性和可靠性[1，2]。本文旨在對(duì)齒輪箱鑄造過(guò)程中產(chǎn)生的“氣孔類”鑄造缺陷進(jìn)行分析研究，以提高鑄件的鑄造質(zhì)量水平。

1 氣孔缺陷形貌

城際動(dòng)車組齒輪箱材料選用鋁硅鎂合金材料（AlSi7Mg），力學(xué)性能要求抗拉強(qiáng)度≥230 MPa，屈服強(qiáng)度≥190 MPa，伸長(zhǎng)率≥2%。齒輪箱上箱體（圖1），結(jié)構(gòu)復(fù)雜，箱體外表面設(shè)計(jì)多處加強(qiáng)筋、安裝凸臺(tái)及觀察孔等，箱體成型工藝難度大。在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，鑄造缺陷主要為氣孔缺陷，鑄件成品率僅為60%左右，氣孔缺陷位置及形貌如圖2所示。

圖1 齒輪箱三維結(jié)構(gòu)圖

圖2 齒輪箱氣孔缺陷位置及形貌

2 氣孔缺陷原因分析

針對(duì)現(xiàn)鑄造工藝進(jìn)行充型過(guò)程模擬分析，如圖3 所示，從中可以看出在充型過(guò)程中寬筋部位兩側(cè)的金屬液面交匯，并卷入部分空氣，緊接著澆注截面積變小，導(dǎo)致氣體滯留寬筋周圍附近，加之頂部觀察窗設(shè)置有冷鐵，導(dǎo)致頂部溫度較低，液體凝固較快，從而使得氣孔在凝固過(guò)程中未及時(shí)排出，在寬筋或頂部觀察窗部位出現(xiàn)。從模擬結(jié)果分析，寬筋和頂部觀察窗附近在澆注過(guò)程中有氣孔卷入，但是從其充型溫度場(chǎng)模擬結(jié)果可以看出卷入氣體向上排出的通道局部溫度為590 ℃，導(dǎo)致卷入的部分氣體難以排除鑄件，形成氣孔缺陷。

圖3 充型過(guò)程模擬分析

3 工藝優(yōu)化

3.1 優(yōu)化方案一

對(duì)箱體寬筋對(duì)應(yīng)部位增加單獨(dú)小澆道，去掉觀察窗冷鐵，升高頂部金屬液溫度，使氣體能夠順利排出。通過(guò)模擬澆注過(guò)程發(fā)現(xiàn)：澆注過(guò)程中，在小澆道的作用下寬筋附近卷入的氣體排出通道溫度升高，如圖4a 所示，利于該部分氣體排出；但是由于頂觀察窗充型完成時(shí)金屬液溫度在590～600 ℃的范圍內(nèi)，極大可能會(huì)導(dǎo)致頂部觀察窗氣孔出現(xiàn)幾率增加，如圖4b 所示。在此工藝條件下，跟蹤箱體探傷結(jié)果發(fā)現(xiàn)寬筋氣孔出現(xiàn)比率為1.19%，但是觀察窗氣孔發(fā)生比例增加，由原來(lái)的7.14%增加至13.4%。

圖4 優(yōu)化方案一充型溫度場(chǎng)模擬分析

3.2 優(yōu)化方案二

在優(yōu)化方案一的基礎(chǔ)上，在觀察窗部位增加溢流冒口。此冒口為暗冒口，以便觀察窗部位的氣體順利排出。如圖5 所示，對(duì)此工藝的充型過(guò)程模擬，發(fā)現(xiàn)鑄件100%充型時(shí)寬筋和觀察窗部位及其周圍部位的溫度在620 ℃左右，利于卷入氣體排到溢流冒口中，降低鑄件氣孔出現(xiàn)的比例。在此工藝條件下，對(duì)鑄件進(jìn)行跟蹤驗(yàn)證，鑄件在寬筋和頂部觀察窗部位的氣孔發(fā)生率為0，該氣孔缺陷得到徹底解決。

圖5 優(yōu)化方案二充型溫度場(chǎng)模擬分析

4 結(jié)論

基于Magma 鑄造仿真分析，采用“寬筋部位增加小澆道+觀察窗溢流冒口”的工藝方案，徹底解決了齒輪箱的加強(qiáng)筋和觀察孔氣孔缺陷，鑄件成品率由60%提升到91.4%以上。