武玉平 喬景忠 薛立春 周建軍 蘇雅拉圖 王雙捷 陳志軍 趙學(xué)林 何立軍（內(nèi)蒙古第一機械集團有限公司第十分公司，內(nèi)蒙古 包頭，014032）

鐵路車輛側(cè)柱內(nèi)補強座鑄造工藝改進及生產(chǎn)流程再造

武玉平 喬景忠 薛立春 周建軍 蘇雅拉圖 王雙捷 陳志軍 趙學(xué)林 何立軍
（內(nèi)蒙古第一機械集團有限公司第十分公司，內(nèi)蒙古 包頭，014032）

本公司從上世紀80年代以來一直是包頭北方創(chuàng)業(yè)股份公司的合格承制方，并跟隨其整車研制步伐從最初的C62車型開始到現(xiàn)在的C76、C80、C80E等車型進行鐵路車輛鑄件工藝研發(fā)與批產(chǎn)。盡管鐵路車輛車型的不斷升級換代，但側(cè)柱內(nèi)補強座仍然沿襲最初的C62側(cè)柱內(nèi)補強座工藝，但是該產(chǎn)品生產(chǎn)存在生產(chǎn)周期長、生產(chǎn)效率低等問題，且合格率和工藝出品率也低于其他鐵路車輛鑄件，制約產(chǎn)品的批產(chǎn)生產(chǎn)。隨著公司全價值鏈、體系化精益管理戰(zhàn)略的實施，要求整車和零部件從源頭就必須實現(xiàn)精準設(shè)計和精益工藝設(shè)計，降低制造成本、實現(xiàn)效益的最大化。本公司通過對側(cè)柱內(nèi)補強進行工藝設(shè)計的改進，優(yōu)化了生產(chǎn)流程，降低了生產(chǎn)成本，進而提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和市場競爭力。

鐵路車輛；側(cè)柱內(nèi)補強座；鑄造； 型芯；工藝改進；生產(chǎn)流程再造

1 概述

側(cè)柱內(nèi)補強座是鐵路車輛鑄件基數(shù)較大的產(chǎn)品，也是本公司砂鑄生產(chǎn)線的主打鑄鋼件。該產(chǎn)品由于生產(chǎn)工序多、生產(chǎn)流程長、生產(chǎn)效率低以及合格率和工藝出品率低等，造成了鑄件生產(chǎn)成本高、生產(chǎn)周期長和制造成本高于鑄件的市場采購價格的“倒掛”現(xiàn)象，直接影響了經(jīng)營效果。

針對鐵路車輛側(cè)柱內(nèi)補強座產(chǎn)品存在的上述問題，本文首先通過對該產(chǎn)品的原工藝方案和生產(chǎn)流程進行梳理和分析，確認在鑄件冶煉的材質(zhì)和熱處理工序環(huán)節(jié)上基本上沒有可改進的切入點，然后重點從造型和制芯工序環(huán)節(jié)上入手，其中，制芯的準備周期長、制芯環(huán)節(jié)多、人工占用大、能耗高。蓋芯的制芯工序包括配砂、制芯、進窯烘烤、型芯精整以及型芯轉(zhuǎn)運等，這諸多的環(huán)節(jié)直接導(dǎo)致了鑄件生產(chǎn)周期長、生產(chǎn)效率低、工人勞動強度大以及型芯損耗大等問題，事實上，側(cè)柱內(nèi)補強座蓋芯的制芯工序占造型成本的比重還是很大的。

如何實現(xiàn)取消制芯的工藝改進，達到提質(zhì)增效的目的是一項亟待解決的技術(shù)難題。經(jīng)各種工藝方案比較和可行性技術(shù)論證，并借鑒某些產(chǎn)品取消型芯技術(shù)方案，確定了對原鑄造工藝方案進行工藝改進，并通過工藝改進的技術(shù)路線達到優(yōu)化生產(chǎn)流程、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本的目的，最終實現(xiàn)鐵路車輛側(cè)柱內(nèi)補強座降本增效的目的。

2 側(cè)柱內(nèi)補強座概況

側(cè)柱內(nèi)補強座是鐵路車輛車斗內(nèi)根部框體支撐加強的焊接零件，為受力件，是三角形平板支體、薄壁“∩”字形形狀類復(fù)合結(jié)構(gòu)，鑄件最小壁厚為10mm，最大壁厚為15mm，鑄件內(nèi)部質(zhì)量及表面質(zhì)量要求較高，除了尺寸精度要求嚴格外，還要求內(nèi)部組織致密，不允許存在縮松、縮孔等鑄造缺陷。鑄件主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 鑄件主要技術(shù)參數(shù)

2.1 鑄件結(jié)構(gòu)特點

鐵路車輛側(cè)柱內(nèi)補強座鑄件為三角形平板支體結(jié)構(gòu)，輪廓尺寸大、壁薄。鑄件容易產(chǎn)生變形、冷隔、澆不足、夾渣、掉砂、砂眼等鑄造缺陷。見圖1。

圖1 側(cè)柱內(nèi)補強座鑄件圖

2.2 鑄件技術(shù)要求

鑄件技術(shù)要求包括：鑄件尺寸精度、表面質(zhì)量和內(nèi)在質(zhì)量等達到圖紙TB/T1464驗收技術(shù)條件的要求；倒“∩”字形筋面變形不得大于2mm，筋厚公差不得大于0.5mm，鑄件不允許有影響零件使用的鑄造缺陷。

3 側(cè)柱內(nèi)補強座鑄件生產(chǎn)難點分析

鑄件為三角形平板支體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的工藝性和鑄造工藝性差，鑄件存在充型差、熱節(jié)分散、補縮通道不暢等問題。

3.1 鑄件成型難點

鑄件成型過程中存在的難點：1）鑄件壁厚較薄，在金屬液澆注過程中流動前端會形成極大的表面張力，阻礙金屬液充型，容易造成型腔出現(xiàn)充不滿的現(xiàn)象；2）鑄件壁薄，在澆注時需提高金屬液的溫度和充型速度，而澆注溫度高鑄件容易產(chǎn)生疏松缺陷，金屬液充型速度快容易出現(xiàn)卷氣、夾雜等缺陷；3）由于鑄件整體壁薄、補縮通道狹窄、不暢，不容易補縮，厚大部位容易出現(xiàn)局部疏松缺陷。因此在澆注系統(tǒng)設(shè)計上不僅要保證鑄件成型完整，還需考慮卷氣、夾雜等缺陷的產(chǎn)生，同時需加強對厚大部位的補縮，保證鑄件成型完整的情況下組織致密；4）澆注溫度、速度雖然對鑄件的成型有很大的影響，但依賴控制澆注溫度、澆注速度解決冷隔、澆不足的鑄造缺陷的同時又會產(chǎn)生新的鑄造缺陷。

如何保證金屬液充滿型腔并得到組織致密的鑄件是工藝改進的重點。

3.2 尺寸精度控制難度大

型芯與砂型的配合間隙不易控制、配模難度大，型芯的變形與砂型的尺寸互相影響，定位準確性差，很難達到鑄件尺寸的公差。

4 原鑄造工藝方案和生產(chǎn)流程簡介

圖2 側(cè)柱內(nèi)補強座模型布置圖

圖4 改進后的側(cè)柱內(nèi)補強座模型布置圖

圖3 生產(chǎn)流程圖

4.1 鑄造工藝方案

具體鑄造工藝方案見圖2，具體內(nèi)容包括：

1）工裝為1200mm×900mm砂箱，砂箱一箱布置4件模型 ；

2）鑄件全部放在下箱；

3）大平面放在底部，蓋芯與砂型形成型腔；

4）高處設(shè)置2個橢圓冒口，內(nèi)澆道從上箱冒口處引入。

原工藝方案存在的主要問題：

1）鑄件產(chǎn)生澆不足、冷隔和夾砂缺陷，鑄件合格率僅為85%左右，特別是澆不足、冷隔廢品比例很大；

2）鑄件工藝出品率58.8%，低于其他鐵路車輛產(chǎn)品的工藝出品率，鋼水利用率低；

3）水玻璃砂蓋芯制芯工序為先濕態(tài)脫模、后硬化的方式，處于濕態(tài)下的型芯在干燥板上轉(zhuǎn)運或烘烤過程時產(chǎn)生變形，造成鑄件尺寸超差；

4）水玻璃砂蓋芯進窯烘烤消耗天然氣，造成能源浪費問題，水玻璃砂蓋芯進窯烘烤后還需進行精整和交檢，增加人工成本；

5）為預(yù)防鑄件大平面產(chǎn)生夾砂缺陷，在制水玻璃砂蓋芯時的大平面局部插6根釘子，這樣一方面破壞了砂芯的整體強度，另一方面增加了生產(chǎn)成本；

6）由于鑄件“∩”形口吃砂量少，在造型過程中“∩”形口周圍的砂型壓不實，因而砂型硬度低，局部有“馬蜂窩”現(xiàn)象，鑄件容易產(chǎn)生砂眼缺陷；

7）人工下芯很難掌握蓋芯水平準確下入型腔，造成鑄件的壁厚尺寸不均和形位公差超差；

8）人工下芯掉入型腔的砂粒造成砂眼缺陷；

9）水玻璃砂蓋芯的干強度和殘留強度都高于造型的型砂，鑄件在清理時費力耗時。

圖5 改進后的側(cè)柱內(nèi)補強座鑄件生產(chǎn)流程圖

4.2 原生產(chǎn)流程

原鐵路車輛側(cè)柱內(nèi)補強座鑄件生產(chǎn)流程見圖3。

原生產(chǎn)流程存在的主要問題：

鐵路車輛側(cè)柱內(nèi)補強座鑄件結(jié)構(gòu)雖然簡單，但蓋芯的鑄造工藝方案帶來許多問題，鑄造工藝方案生產(chǎn)比較復(fù)雜，不可控因素多，工人操作過程煩瑣。蓋芯為水玻璃砂制芯工藝，從配制芯砂、制芯、進窯烘烤、型芯精整到型芯交檢共6個環(huán)節(jié)，再加上成品型芯轉(zhuǎn)運、下芯2個環(huán)節(jié)，諸多的生產(chǎn)環(huán)節(jié)和不可控因素多直接導(dǎo)致了生產(chǎn)準備和生產(chǎn)周期長、生產(chǎn)效率低、工人勞動強度大，以及型芯損耗大、鑄件廢品率高和生產(chǎn)成本高等問題，其中，生產(chǎn)周期長、生產(chǎn)效率低和生產(chǎn)組織難度大問題尤為凸顯。

5 工藝改進方案

按照取消型芯的精益工藝方案技術(shù)途徑，對原鑄造工藝進行了優(yōu)化設(shè)計和工藝改進，改進的主要內(nèi)容包括：

1）確定分型面；

2） 設(shè)計澆注系統(tǒng)和冒口；

3） 設(shè)計專用型板；

4）取消型芯。

具體改進工藝方案見圖4，具體內(nèi)容包括：

1）工裝為1200mm×900mm砂箱，砂箱一箱布置6件模型；

2）鑄件放在上箱，下箱采用專用型板帶出砂胎形成鑄件的內(nèi)腔；

3）兩件立面之間增加共用冒口，橫澆道進入冒口引入型腔；

4）鑄件大平面為上面，傾斜于分型面，高處設(shè)置冒口，澆注系統(tǒng)從冒口進入比較容易充型，防止了澆注鋼水時砂型排氣不暢造成的漏皮缺陷的產(chǎn)生；

5）主要的內(nèi)腔采用專用型板帶出，避開了型芯成型影響因素多的環(huán)節(jié)，有助于鑄件的壁厚均勻、尺寸準確；

6） 澆注系統(tǒng)為直澆道進入橫澆道搭肩再進入冒口，有利于鋼水的澆注平穩(wěn)、浮渣、浮砂。

改進后的鐵路車輛側(cè)柱內(nèi)補強座鑄件生產(chǎn)流程圖見圖5。

從改進后的鐵路車輛側(cè)柱內(nèi)補強座生產(chǎn)流程圖可以看出：用模型直接帶出型腔形成砂型，省去了原蓋芯成型工藝方案的所涉及的配制芯砂、制芯、進窯烘烤、型芯精整、型芯交檢和成品型芯轉(zhuǎn)運、下芯7個環(huán)節(jié)，將改進前的17個環(huán)節(jié)減少到改進后的10個環(huán)節(jié)，縮短了生產(chǎn)流程、簡化了工藝。

6 工藝改進實施與工藝驗證

在對側(cè)柱內(nèi)補強座工藝改進方案工藝評審的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計了專用型板并重新制作了模型，隨后進行了工藝試制。經(jīng)過對工藝試制的首件鑄件鑒定表明，工藝改進后的鑄件尺寸、表面質(zhì)量、內(nèi)在質(zhì)量等均達到圖紙及TB/T1464驗收技術(shù)條件的要求，后經(jīng)5個爐次的批量生產(chǎn)驗證鑄件質(zhì)量穩(wěn)定，改進后的工藝已納入鑄造工藝規(guī)程標準化作業(yè)。

7 改進后技術(shù)、經(jīng)濟效果

7.1 技術(shù)效果

1）每爐鋼水的澆注的造型箱數(shù)由工藝改進前的生產(chǎn)35箱減少到工藝改進后的30箱，鑄件澆注數(shù)量由工藝改進前的140件增加到了工藝改進后的180件，減少了造型和澆注的箱數(shù)，進而縮短了鋼水澆注時間和降溫時間，有利于解決鑄件冷隔、澆不足問題，同時縮短了鋼水對鋼包的熱作用時間，提高了鋼包的使用壽命；

2）鑄件工藝出品率由工藝改進前的58%提高到了工藝改進后的67.3%，鋼水利用率提高了9.3%；

3）鑄件綜合合格率由工藝改進前的85%提高到了由工藝改進后的93%，廢品損失降低了8%；

4）取消了制芯環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了隨時造型、隨時澆注的生產(chǎn)節(jié)奏，改變了原工藝方案必須提前進行蓋芯制芯的各項前期工作準備的生產(chǎn)組織模式；

5）取消了蓋芯工藝，隨之也就省去了與制芯相關(guān)聯(lián)的配制芯砂、制芯、烘烤和精整、下芯搬運等環(huán)節(jié)，節(jié)省了制芯人力，也避免了由于人工下芯定位不準確造成的鑄件尺寸超差問題；

6）解決了原工藝存在的準備周期長、生產(chǎn)周期長和生產(chǎn)效率低、工人勞動強度大，以及型芯損耗大、鑄件廢品率高和生產(chǎn)成本高等問題；

7）優(yōu)化了生產(chǎn)流程，實現(xiàn)了流程再造。

7.2 經(jīng)濟效果

鐵路車輛側(cè)柱內(nèi)補強座預(yù)計2016年投產(chǎn)9000件，鑄件毛重為14.8kg，9000件鐵路車輛側(cè)柱內(nèi)補強座總重量為：9000件×14.8kg/件=133200kg=133.2t。

鑄件廢品殘值為2200元/t，鑄件成本為9460元/t，鋼水成本為5500元/t，那么鐵路車輛側(cè)柱內(nèi)補強座改進工藝后的有形節(jié)創(chuàng)價值計算結(jié)果如下∶

1）工藝出品率提高節(jié)約的價值

工藝出品率由58%提高到67.3%，則節(jié)約的價值為：

（133.2t÷58%－133.2t÷67.3%）×（5500元/t－2200元/t）=104742元

2）取消型芯節(jié)約的價值

型芯重16.5kg，芯砂成本為0.35元/kg，則節(jié)約的價值為：

16.5kg/件×9000件×0.35元/kg=51975元

3） 造型用型砂節(jié)約的價值

原工藝每箱耗砂量180kg，改進工藝后每箱耗砂量為230kg，型砂成本為0.15元/kg，則節(jié)約的價值為：

（180kg÷4 -230kg÷6）×9000件×0.15元/kg=9004.5元

4）合格率由85%提高到93%創(chuàng)造的價值

創(chuàng)造的價值為：（133.2t÷85%－133.2t÷93%）×（9460元/t－2200元/t）=98010元

5）工藝改進重新制作模型費用42000元

工藝改進后的有形節(jié)創(chuàng)價值為∶

104742 +51975 +9004.5 +98010 -42000 =212736.5（元）

8 結(jié)論

通過對鐵路車輛側(cè)柱內(nèi)補強座鑄造工藝改進，不僅縮短了生產(chǎn)周期，減少了材料消耗，降低了工人的勞動強度，而且達到了降本增效效果，并實現(xiàn)了生產(chǎn)流程再造，同時也提高了整車裝備和零部件的市場競爭能力。

（References）

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［2］高軍會.平臺的鑄造［J］.鑄造技術(shù)，2011（2）.

［3］梁趙靜，陳翠鳳，金桂芹，等.灰鑄鐵HT300齒輪的生產(chǎn)工藝優(yōu)化［J］.鑄造技術(shù)，2008（10）.