国产化动车组用C,型支架铸造工艺研究与优化

郭建设，白 云，孙亚肖，张剑云，李 林

（中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司，江苏常州 213011）

动车组用C 型支架作为连接齿轮箱和转向架的关键受力件，其表面要求100%磁粉探伤，关键部位需达到GB/T 9444 标准的Am1-Sm1 级，且需按照GB/T 5677 标准进行一定比例的射线探伤，关键部位A、B、C 类缺陷不超过二级，所有区域不允许存在D、E、F、G 类缺陷。外观方面要求关键部位不得存在直径超过3mm、深度超过2mm 的缺陷，因此铸造工艺难度较大。我司接到某型号动车组用国产化C 型支架订单任务后，本文作者随即进行了一系列铸造工艺开发工作，在产品试制初始阶段，尝试采用的工艺存在较多夹砂缺陷，一次DR 探伤合格率均低于80%，且造型不便，既增加制造成本又影响量产交货期，因此，需要优化铸造工艺。

本文采用MAGMA 铸造工艺模拟软件对不同铸造工艺进行分析计算，在保证不明显增加卷气紊流等问题的前提下，通过对细节多次优化，最终得到了一个比较优良的工艺方案，实现造型简便的同时，DR 一次探伤合格率也达到了95%左右，达到预期目标。

考虑到该产品对内部夹砂等缺陷要求较高，原铸造工艺采用了较为保守的底铸方式，以期通过平稳浇铸来减少钢水对砂型的冲刷[1]，分别尝试了活块+吊砂和预埋陶瓷管两种方式，如图1 所示。

图1 底铸式铸造工艺

采用上述铸造工艺进行生产时发现，活块+吊砂工艺在造型时起模不便，活块取出时易导致砂型破损，且吊砂结构在合箱过程中容易出现擦砂，而合箱阶段掉落在型腔的砂块不易被发现也难以取出。此外，浇道较为曲折，拐角处存在多个钢水冲刷小平面，增加了冲砂剥落概率，最终导致浇注的铸件内部易出现夹砂缺陷。预埋陶瓷管工艺造型不便，陶瓷管对接处的型砂也容易因塞砂不实而出现剥落，同时，钢水从陶瓷管两端与砂型型腔结合处通过时存在冲砂问题，尤其钢水温度较高或者浇注时间较长的情况下砂块剥落倾向更大。有关研究表明，当树脂砂加热温度为700℃时，砂粒表面的树脂膜在5min 内便会被完全烧损[2]。因此，浇道及浇口附近型砂在长时间浇注和钢水凝固过程中，长期处于700℃以上高温烘烤状态，出现一定程度的溃散，在钢水流场冲刷下，表层型砂产生逐层剥落，剥落的砂子随着钢水在型腔内流动并逐渐聚集和上浮，导致铸件上端面出现砂眼缺陷。

以上两种铸造工艺均存在因造型擦砂或钢水冲砂导致的铸件夹砂问题，致使铸件射线探伤一次通过率均低于80%，给后续挖补返修造成较大工作量，且约10%的铸件难以焊修而直接报废。

针对原工艺操作不便导致铸件容易出现缺陷这一问题，在保证产品质量的前提下，从操作简便性为切入点，大胆尝试采用上下型直接合箱的铸造工艺（见图2），横浇道直接放在分型面上从而避免了吊砂、活块等结构，大大简化了造型、合箱操作，同时，为降低直浇道中钢水冲刷砂型风险，在直浇道与横浇道连接处正下方放置了一块陶瓷片。此外，内浇口的位置则选择设在支架“腿部”厚大位置，以最大限度减弱内浇口处钢水对砂型型腔的冲刷。

图2 中注式铸造工艺

3.1 缩松情况

采用MAGMA 软件对改进后的铸造工艺进行模拟分析，其缩孔缩松缺陷分布情况如图3 所示，从图中可以看出在铸件内基本消除缩孔缩松缺陷，只有在内开裆处存在轻微缩松缺陷，经评估满足技术要求，即该铸造工艺补缩良好，且这一结果在对试制件的DR 射线探伤结果中得到了验证，缩松区域占比约为2%，且等级不超过三级，满足非关键区域技术要求。同时，对首批试制件实物机加工情况进行了跟踪，发现全部实物机加工面均不存在缩孔缩松、气孔等缺陷，且上表面等易出现夹砂夹渣的部位也不存在此类缺陷，说明该铸造工艺能够很好地避免造型擦砂、充型卷气等问题（见图4）。

图3 改进工艺后的MAGMA 模拟缩孔缩松缺陷结果

图4 改进工艺后的实物机加工验证情况

3.2 本体性能检验

为进一步检验新工艺补缩情况，同时也为了保证关键区域本体性能满足技术要求，本文随机抽取了一件试制件，在图3 左图所示方框标记的四处关键区域分别取了一个本体拉棒，其力学性能检测结果及技术要求见表1。从表1 中可以看出，四个试样的力学性能均达到技术指标要求，说明四处关键区域的补缩效果良好，不存在影响力学性能的缩松缺陷。

表1 本体力学性能取样检测结果及验收技术要求

本文还对后续小批量生产的实物探伤、机加工情况进行了跟踪，据统计，37 件C 型支架实物DR 探伤一次性通过35 件，即DR 探伤合格率为94.6%，全部实物机加工面均未出现夹砂夹渣、缩孔等缺陷，验证了该工艺的稳定性和可靠性。

（1）进行铸造工艺设计时需充分考虑造型简便原则，否则实际生产中极易出现夹砂等缺陷而降低成品率。

（2）内浇口位置需尽量选择铸件厚大部位，可以有效降低钢水流速，以减弱对砂型内腔的冲刷，有效提升产品外观及内部质量。

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