王錫安，王 哲，孫寶金

（齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司，黑龍江齊齊哈爾 161002）

40t軸重轉(zhuǎn)向架是為澳大利亞FMG公司研制的40t軸重礦石車的配套轉(zhuǎn)向架，是目前世界上最大軸重的鐵路貨車。該轉(zhuǎn)向架為鑄鋼三大件式結(jié)構(gòu)，其中側(cè)架是轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵鑄鋼件，側(cè)架把轉(zhuǎn)向架各零部件組成一個(gè)整體，承受、傳遞各種作用力及載荷，因此其鑄造質(zhì)量對(duì)貨車運(yùn)行的安全性、可靠性起到至關(guān)重要的作用[1-3]。因此，在40t軸重轉(zhuǎn)向架用側(cè)架工藝設(shè)計(jì)上，采用傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬技術(shù)輔助設(shè)計(jì)相結(jié)合，優(yōu)化鑄造工藝，經(jīng)生產(chǎn)驗(yàn)證取得了很好的效果。

1 側(cè)架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

該側(cè)架材質(zhì)為 AAR M-201B+級(jí)鑄鋼（ZG25MnCrNiMo），其外型最大輪廓尺寸為2570mm×680mm×481mm，鑄件重量525kg，該鑄件為典型的薄壁箱體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。該鑄件最大壁厚為39mm，且由于結(jié)構(gòu)影響該位置無(wú)法設(shè)置冒口進(jìn)行補(bǔ)縮，導(dǎo)致其內(nèi)部密實(shí)度保證難度較大；該側(cè)架幾個(gè)關(guān)鍵部位壁厚變化較大（由14mm變化至39mm），壁厚過(guò)渡梯度大和結(jié)構(gòu)性影響，導(dǎo)致鑄件收縮受阻而產(chǎn)生較大的應(yīng)力，很容易導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生；箱型結(jié)構(gòu)的鑄件，內(nèi)腔均通過(guò)砂芯制出，在澆注過(guò)程中砂芯被鋼水包裹，導(dǎo)致排氣不暢，易產(chǎn)生嗆空缺陷。側(cè)架產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

圖1 側(cè)架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及關(guān)鍵受力區(qū)域

圖2 側(cè)架實(shí)體

2 產(chǎn)品檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

化學(xué)成分、機(jī)械性能和缺陷修理等按AAR M-201《鑄鋼件規(guī)范》執(zhí)行。側(cè)架外觀要求、關(guān)鍵尺寸、內(nèi)部密實(shí)度檢查等，按AARM210-90《AAR批準(zhǔn)的聯(lián)運(yùn)貨車側(cè)架搖枕供貨技術(shù)條件》執(zhí)行；同時(shí)執(zhí)行TB/T3015.3-2009《鐵路貨車鑄鋼搖枕、側(cè)架無(wú)損檢測(cè)第3部分：磁粉檢驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)側(cè)架全表面整體磁化磁粉探傷檢查；按鐵道部運(yùn)裝貨車[2007]310號(hào)文件內(nèi)容對(duì)側(cè)架關(guān)鍵部位射線探傷、超聲波探傷檢查和超聲波測(cè)壁厚檢測(cè)。保證鑄件內(nèi)部組織致密、鑄件表面無(wú)裂紋等缺陷、整機(jī)裝配和鑄件表面滿足商品化的需要。

3 鑄造工藝設(shè)計(jì)

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和造型生產(chǎn)線設(shè)備情況，采用脂硬化水玻璃砂工藝生產(chǎn)，一箱兩件。選擇堿性電弧爐冶煉鋼水，采用干法落砂工藝，打箱時(shí)間大于4h.熱處理方式采用正火工藝。

3.1 分型面選取

側(cè)架為對(duì)稱性結(jié)構(gòu)，選取縱向中心平面為分型面。并將滑槽側(cè)置于上箱，利于采取排氣工藝手段；鑄字位于下箱，保證鑄字完整清晰，同時(shí)滿足產(chǎn)品商品化要求[4]。

3.2 鑄造收縮率

由于側(cè)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且壁厚變化較大，不同部位的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)差異導(dǎo)致側(cè)架各部位的鑄造收縮率存在差異。為滿足產(chǎn)品的尺寸要求，對(duì)側(cè)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行認(rèn)真分析，得出中央方框區(qū)域收縮率為15‰，軸距收縮率為18‰，其余按20‰選取。

3.3 砂芯設(shè)計(jì)

為保證側(cè)架內(nèi)腔質(zhì)量，內(nèi)腔砂芯采用整體芯工藝。整體芯工藝確保側(cè)架關(guān)鍵部位無(wú)砂芯對(duì)接，避免了由于砂芯對(duì)接而產(chǎn)生的砂眼、披縫、壁厚突變等缺陷，消除原始裂紋源，保證了側(cè)架使用的安全性、可靠性[3,4]。

3.4 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

采用開放式澆注系統(tǒng)，F(xiàn)直∶F內(nèi)=1∶1.1.鋼水從鑄件上平面引入。側(cè)架輪廓尺寸大、主體壁厚薄14mm～17mm，因此采用澆注系統(tǒng)從兩端同時(shí)引入的方式，實(shí)現(xiàn)鋼液能夠快速充型和縮短鋼液流動(dòng)的距離，避免側(cè)架出現(xiàn)澆不足、冷隔等鑄造缺陷。澆注溫度控制在1580℃以下，澆注方式低溫快澆，減小鑄件裂紋傾向。

4 數(shù)值模擬結(jié)果及措施

4.1 溫度場(chǎng)模擬

采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)側(cè)架凝固過(guò)程溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬。在圖3顯示的液相和固相混合區(qū)域中，可以很清楚地發(fā)現(xiàn)在固相率大于76%時(shí)，開始出現(xiàn)明顯的液固相區(qū)孤立區(qū)域（圖3e）中發(fā)白部位）這些孤立凝固區(qū)域多產(chǎn)生于厚、薄壁相接及壁厚交錯(cuò)部位，這些區(qū)域有產(chǎn)生鑄造缺陷的可能性。

圖3 凝固過(guò)程液固相區(qū)變化

4.2 時(shí)間場(chǎng)模擬

如圖4所示四個(gè)區(qū)域是側(cè)架零件最后凝固部位，從三維時(shí)間場(chǎng)分布可以知道，B區(qū)域（包括三個(gè)部分）的凝固時(shí)間最長(zhǎng)；C（包括三個(gè)部分）區(qū)域次之；A區(qū)域（區(qū)域較長(zhǎng)）次之，但是A區(qū)域需要補(bǔ)縮的空間比較分散。

圖4 側(cè)架凝固時(shí)間場(chǎng)分布

4.3 工藝措施

圖4中側(cè)架A部厚度達(dá)39mm，超出了鑄鋼件臨界壁厚，計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果也表明該區(qū)域凝固時(shí)間最長(zhǎng)，產(chǎn)生收縮類缺陷概率較高。該處產(chǎn)品結(jié)構(gòu)又導(dǎo)致無(wú)法直接放置冒口進(jìn)行補(bǔ)縮。對(duì)該處結(jié)構(gòu)分析后，在A部相鄰部位（內(nèi)八字面）增加補(bǔ)貼并在A部放置冷鐵使熱節(jié)向右八字面移動(dòng)，在內(nèi)八字面處放置冒口集中補(bǔ)縮，如圖5所示。

由于側(cè)架結(jié)構(gòu)原因，在分散的熱節(jié)處無(wú)法放置冒口或放置冒口后極難清除，所以對(duì)分散熱節(jié)采用冷鐵激冷，通過(guò)冒口與冷鐵的配合使用實(shí)現(xiàn)整體同時(shí)凝固和局部順序凝固。側(cè)架工藝及冷鐵擺放位置如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 側(cè)架工藝簡(jiǎn)圖

圖6 冷鐵布置位置

圖7 側(cè)架冷鐵分布圖

5 工藝驗(yàn)證

按上述工藝生產(chǎn)的側(cè)架各部尺寸滿足產(chǎn)品要求。側(cè)架立柱上彎角部位，由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)原因收縮阻力較大，出現(xiàn)可見熱裂紋，裂紋率40%左右。工藝措施，在該部位增加收縮筋，承受鑄造應(yīng)力消除裂紋。經(jīng)目視和探傷檢查，該工藝措施能完全消除裂紋缺陷。如圖8、圖9所示。

圖8 側(cè)架裂紋部位

圖9 工藝改進(jìn)后

關(guān)鍵部位解剖目視檢查和射線檢測(cè)內(nèi)部密實(shí)度良好滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，如圖10所示。

圖10 側(cè)架A 部斷面

6 結(jié) 論

40t軸重側(cè)架整體幾何形狀及尺寸、側(cè)架外觀、表面質(zhì)量符合AARM210-90《AAR批準(zhǔn)的聯(lián)運(yùn)貨車側(cè)架搖枕供貨技術(shù)條件》規(guī)定的量規(guī)檢驗(yàn)要求，并按TB/T1959-2006《鐵道貨車搖枕、側(cè)架靜載荷及疲勞試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)靜載荷和疲勞試驗(yàn)，產(chǎn)品性能滿足設(shè)計(jì)要求并通過(guò)裝車運(yùn)行考驗(yàn)。該工藝方案可滿足40t軸重側(cè)架的生產(chǎn)和質(zhì)量要求。

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[5]柳百成，荊濤.鑄造工程的模擬仿真與質(zhì)量控制[M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.