李曉明，李從發(fā)

（蕪湖新興鑄管有限公司，安徽蕪湖 24100）

隨著國(guó)家動(dòng)車(chē)與高鐵的快速發(fā)展，帶動(dòng)了相應(yīng)鑄件的需求與發(fā)展，由于動(dòng)車(chē)與高鐵的快速運(yùn)行，每一部分的每一個(gè)零部件質(zhì)量要求非常高，160 k m動(dòng)車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的杠桿鑄件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但外觀質(zhì)量與內(nèi)在質(zhì)量要求非常高，前期在中車(chē)某廠采用手工造型樹(shù)脂砂工藝生產(chǎn)，我公司承接了產(chǎn)品批量化生產(chǎn)任務(wù)，組織了相關(guān)工藝研發(fā)與產(chǎn)品試制工作。

公司采用煤粉砂靜壓造型工藝生產(chǎn)此產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化自動(dòng)化生產(chǎn)，生產(chǎn)效率極高，大大節(jié)約人力成本，熔煉方式為高爐-中頻爐雙聯(lián)熔煉，高爐鐵液儲(chǔ)存在20 t中頻保溫爐內(nèi)，利用3臺(tái)5 t中頻感應(yīng)電爐對(duì)高爐鐵液進(jìn)行調(diào)質(zhì)、升溫處理。

產(chǎn)品材質(zhì)要求：Q T600-7，抗拉強(qiáng)度R m≥600MPa，屈服強(qiáng)度R p0.2≥380 MPa，斷后伸長(zhǎng)率A≥7%，布氏硬度150-220HB W，石墨大小≥5，球化級(jí)別≥3，主要基體組織珠光體≥25%，其余鐵素體，表面粗糙度按GB/T6060.1標(biāo)準(zhǔn)，粗糙度必須在R a≤50，不允許存在任何缺陷或瑕疵。對(duì)圖1所示的關(guān)鍵部位進(jìn)行射線探傷。質(zhì)量等級(jí)按照GB/T 5677《鑄鋼件射線照相及底片等級(jí)分類(lèi)方法》中的規(guī)定判定，缺陷等級(jí)不大于：A類(lèi)、B類(lèi)3級(jí)，C類(lèi)2級(jí)，不允許有D、E、F和G類(lèi)缺陷。

圖1 關(guān)鍵部位圖示

1 澆冒口設(shè)計(jì)

1.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析

產(chǎn)品外形如圖2所示，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，壁厚均勻，最大長(zhǎng)度320 mm，最大寬度251 mm，最大壁厚36 mm，最小壁厚20 mm，6個(gè)孔與外邊緣加強(qiáng)凸臺(tái)不同心，孔不可以鑄出，只能靠加工來(lái)實(shí)現(xiàn)，4個(gè)熱節(jié)最大尺寸28 mm，原工藝設(shè)計(jì)樹(shù)脂砂工藝手工造型，6個(gè)孔和4個(gè)熱節(jié)靠冷鐵與發(fā)熱冒口補(bǔ)縮。

圖2 產(chǎn)品外形示意圖

本公司靜壓線砂箱有效尺寸1300mm×900mm，自動(dòng)化造型澆注，生產(chǎn)節(jié)奏60～80箱/h，不能實(shí)現(xiàn)人工下發(fā)熱冒口和冷鐵，所以只能考慮采用常規(guī)壓力冒口補(bǔ)縮。

1.2 澆冒口設(shè)計(jì)

根據(jù)砂箱尺寸與產(chǎn)品尺寸大小，一箱4件，直澆道在中間，下部設(shè)置過(guò)濾網(wǎng)，內(nèi)澆道通過(guò)冒口進(jìn)入鑄件型腔。

設(shè)計(jì)三種澆冒口方案，采用華鑄CAE模擬軟件對(duì)每一個(gè)工藝方案進(jìn)行虛擬數(shù)字化模擬，定性分析評(píng)價(jià)工藝方案的可行性。

方案一：如圖3所示，只在兩端設(shè)計(jì)冒口，共兩個(gè)冒口，靠近澆注系統(tǒng)的第一個(gè)冒口溫度高，補(bǔ)縮兩個(gè)孔為主，兼補(bǔ)兩個(gè)熱節(jié)，尺寸最小，末端溫度最低，補(bǔ)縮兩個(gè)孔，兼補(bǔ)兩個(gè)熱節(jié)，尺寸較大。整個(gè)鑄件體收縮按1.5%～2%計(jì)算，冒口有效利用率按16%～18%，冒口補(bǔ)縮距離到冒口最高點(diǎn)的夾角按7度計(jì)算。凝固過(guò)程模擬如圖4所示，除了冒口部分有縮孔外，制件中間有縮松缺陷。

圖3 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案一

圖4 方案一凝固過(guò)程模擬結(jié)果

方案二：如圖5所示，在中間增加一個(gè)冒口，按三個(gè)冒口設(shè)計(jì)，靠近澆注系統(tǒng)的第一個(gè)冒口溫度高，補(bǔ)縮兩個(gè)孔為主，兼補(bǔ)兩個(gè)熱節(jié)，尺寸最小，中間冒口補(bǔ)中間兩個(gè)大孔同時(shí)兼補(bǔ)4個(gè)熱節(jié)，尺寸最大，末端溫度最低，補(bǔ)縮兩個(gè)孔，兼補(bǔ)兩個(gè)熱節(jié)，尺寸居中。整個(gè)鑄件體收縮按1.2%～1.5%計(jì)算，冒口有效利用率按16%～18%，冒口補(bǔ)縮距離到冒口最高點(diǎn)的夾角按9度計(jì)算，經(jīng)過(guò)凝固過(guò)程模擬仍有輕微縮松，凝固過(guò)程模擬結(jié)果見(jiàn)圖6.

圖5 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案二

圖6 方案二凝固過(guò)程模擬結(jié)果

方案三：如圖7所示，靠近澆注系統(tǒng)的第一個(gè)冒口溫度高，補(bǔ)縮兩個(gè)孔為主，兼補(bǔ)兩個(gè)熱節(jié)，尺寸最小，中間冒口補(bǔ)中間兩個(gè)大孔同時(shí)兼補(bǔ)4個(gè)熱節(jié)，尺寸最大，末端溫度最低，補(bǔ)縮兩個(gè)孔，兼補(bǔ)兩個(gè)熱節(jié)，尺寸居中。整個(gè)鑄件體收縮按1.8%～2%計(jì)算，冒口有效利用率按16%～18%，冒口補(bǔ)縮距離到冒口最高點(diǎn)的夾角按9度計(jì)算，經(jīng)過(guò)凝固過(guò)程模擬效果良好，縮孔與縮松集中在澆冒口里，如圖8所示。

圖7 方案三澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖8 方案三凝固過(guò)程模擬結(jié)果

2 熔煉工藝與成分確定

經(jīng)過(guò)幾次鐵水成分澆注實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)隨著碳含量降低和硅含量升高，抗拉強(qiáng)度與延伸率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，另外需要增加銅含量以提高強(qiáng)度，為了提高延伸率還要控制磷含量和鈦含量，最終確定了熔煉工藝標(biāo)準(zhǔn)，表1為材料化學(xué)成分。

表1 材料化學(xué)成分 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

3 利用3D打印快速成型技術(shù)試生產(chǎn)

3.1 3D打印機(jī)打印樹(shù)脂砂砂型

采用安徽恒利增材制造科技有限公司生產(chǎn)的HLP系列智能3D打印機(jī)打印樹(shù)脂砂砂型，設(shè)備最大成型尺寸1 500 mm×1 000 mm×750 mm，分層厚度0.2 mm～0.5 mm，噴頭系統(tǒng)為N×1 024 P數(shù)組式噴嘴，可成型材料有焙燒砂、陶瓷砂、C B砂等，砂芯尺寸精度0.15 mm.打印分上下型打印，如圖9和圖10所示。

圖9 上型腔主體（1 200 mm×800 mm×200 mm）

圖10 下型腔（1 200 mm ×800 mm×150 mm）

3.2 打印好的砂型后處理與澆注

打印好的砂型，工作面需要涂刷耐火涂料，同時(shí)在設(shè)計(jì)的位置上安裝過(guò)濾網(wǎng)，如圖11所示，上下型合型后，將熔煉好的合金澆入型腔，得到完整的鑄件，如圖12所示。

圖11 打印的砂型

圖12 澆注成型的鑄件

3.3 試生產(chǎn)的鑄件

鑄件經(jīng)X-射線探傷檢測(cè)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)氣孔、砂眼、夾渣等鑄造缺陷，內(nèi)在質(zhì)量合格，同時(shí)球化等級(jí)與珠光體含量滿(mǎn)足要求，鑄件金相組織如圖13所示。

圖13 鑄件金相

4 結(jié) 論

1）數(shù)字化模擬技術(shù)和3D打印快速成型技術(shù)可以讓鑄造研發(fā)更加快捷方便，大大減少開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)時(shí)間和成本，應(yīng)在鑄造企業(yè)推廣。

2）高爐鐵水配合一定的技術(shù)手段生產(chǎn)高端鑄件是可行的，鑄造產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、節(jié)能減排應(yīng)該考慮規(guī)模化、集約化，從而實(shí)現(xiàn)短流程鑄造。