酯硬化砂制造冲击座类铸钢件工艺研究

张东伟

（齐齐哈尔轨道交通装备有限公司铸造公司，黑龙江 齐齐哈尔 161002）

铁路货车用冲击座是铁路货车重要零部件，特别是组合了前从板座的一体式冲击座，其位于牵引梁一端，部分暴露于货车车体外部，需要承受来自车钩及中梁的牵引和冲击力，因此对铸件的外观和内部质量要求极其严格。我公司于2008年从无锡锡南铸造机械设备有限公司引进了酯硬化水玻璃砂造型工艺生产线，用于生产铁路货车用冲击座、后从板座等铸钢件系列产品，采用该工艺生产铸件具有生产效率高、尺寸精度高、表面质量好等特点。

1 产品简介

一体式冲击座类铸钢件是车体牵引梁的重要组成部分，该类铸钢件均采用开放式箱形结构，是典型的薄壁箱形铸钢件。一体式冲击座材质为TB/T2942-C级钢（ZG25MnGrNiMo），保证产品机械性能指标；并通过划线和样板检查，控制铸件的尺寸，使其具有良好的加工、装配和互换性能，保证毛坯加工定位精度及组装精度；而且抽样解剖冲击座实物，检查铸件内部密实度情况，要求无缩孔、缩松及气孔等缺陷。铸件简图如图1所示。

2 工艺性分析及数值工艺模拟

2.1 产品工艺性分析

根据图纸进行分析，该类产品结构复杂，壁厚不均，最薄处仅为16mm，而最厚处则达50mm以上，在结构工艺性和制造工艺性上存在突出特点，导致工艺上存在如下几个难点需要解决：

1）一体式冲击座皆为开放式箱形结构，两个侧面为厚度仅22mm（毛坯）的大平板，在两个平板之间仅有一处或两处相连，平板上还有矩形立板结构，并且平板上仅部分位置有拉筋抵消部分铸造应力，在各种铸造应力的作用下，必然产生复杂的变形。

2）冲击座尾部借用后从板座的部分结构（如图1），根据后从板座的具体生产实践，此种结构在拉筋与侧板和尾部筋板相交的根部易产生缩松缺陷，需要采用数值模拟对凝固过程进行分析，确定浇冒口工艺。

图1 一体式冲击座简图

3）冲击座头部为厚壁向薄壁过渡的结构，存在大小不一的热节，易产生缩孔缺陷，特别一些一体式冲击座头部部分为实体结构，此处缩孔缺陷通过工艺措施很难消除，并且采用冒口过大将造成工艺出品率过低，需要对凝固过程进行分析改进。

4）冲击座外形尺寸大，薄壁多，而为保证铸件内腔尺寸精度，保证加工和组装性能，砂芯采用整体芯，体积大，重量沉，使下芯不准确，易造成铸件偏皮；并且因以上原因，砂芯发气量大，如排气不畅，易造成气孔缺陷。

5）由于造型线的生产特点，铸型平面与侧面以及不同高度之间的砂型硬度存在差异，铸型中心与靠近砂箱部分紧实程度不同，造成铸件在凝固过程中两面侧板所受铸造应力大小不同，将最终导致两侧板平面度不同，即内腔尺寸变化情况不同。

2.2 一体式冲击座数值工艺模拟

2.2.1 冲击座网格划分

为了保证计算精度和计算速度，对铸件、浇注系统、冒口、砂型采用相同的网格尺寸，网格尺寸取5mm，最终划分网格总数为：2499220。实体模型剖分结果如图2所示。

2.2.2 铸件的物性参数选择

物性参数的选择合理与否对模拟计算准确性有着决定性影响。冲击座的材料选择为C级钢；砂型选用酯硬化水玻璃砂进行此次模拟。

浇注工艺：浇注温度为1580℃，铸型初始温度为20℃。

图2 冲击座实体模型剖分

2.2.3 冲击座浇注过程分析

流场是反映金属液在铸造型腔中的流动过程，也就是金属液在型腔中的充填顺序，同时可以看到充填过程中金属液的温度变化。根据充型过程流场的分析可以发现铸件充型过程中产生的缺陷。充型液体流动场分析如图3所示。

从流场计算结果可以看出，金属液的流动状态逐渐趋于稳定，金属液的流动速度变化较小，液面稳定上升，因此从充型过程模拟结果来看，基本达到了顺序充填，浇注系统设计基本合理。

图3 冲击座流场分析

2.2.4 冲击座凝固过程分析

凝固过程的温度场及液相分布场反映的是凝固过程中铸件各部位的温度变化及液相变化，通过对铸件的凝固过程模拟，可以很好的判断铸件的凝固顺序、最后凝固区域以及有无孤立凝固区，从而预测出铸件缺陷产生的位置。

1）凝固过程液相分析

凝固过程液相分析如图4所示。从模拟结果看，最后凝固的部分为冒口，基本达到了顺序凝固。

2）凝固过程温度分析

冲击座凝固过程温度分析结果如图5所示。从模拟结果看，在凝固时间为611 s时其他部分已凝固，只有前面两个大冒口处温度还在1400℃左右，说明铸件可得到充分补缩。

图4 冲击座凝固过程液相分析

图5 冲击座凝固过程温度分析

3）定量缩孔分析

凝固过程的定量缩孔分析反映了铸件各部位在凝固过程中液相分布情况，据此可判断出在凝固过程中液相温度的变化及铸件各孤立区最后凝固的部位，这些往往也是铸件易出现缩孔、缩松的部位。冲击座定量缩孔分析结果如图6所示。从图6可以看出凝固时间为402 s时铸件部分已全部凝固，只有浇冒口还处于液相，611 s时，已全部凝固，缩松位置留在了浇口和冒口的上部。

图6 冲击座定量缩孔分析

从上述分析结果可以看出，上述浇冒口系统设置基本合理，可以进行工艺设计及验证。

3 一体式冲击座工艺方案

3.1 造型线的主要参数

我公司所引进的酯硬化造型生产线具有自动完成震实、硬化、翻箱等各项工序过程，它的主要性能指标见表1。

3.2 生产工艺方案

针对冲击座类铸件的结构特点和质量要求，采用一箱两件、水平分型、水平浇注；在模型和砂芯设计时，收缩率采用2%，下箱须设积砂槽，为保证尺寸精度和定位准确，大砂芯设计成整体芯，并采用大芯头；芯盒全部采用脱落式芯盒，其具体工艺参数和工艺布局如下。

表1 酯硬化水玻璃砂造型线主要性能指标

1）拔模斜度

由于该类铸件尺寸精度较高，拔模斜度的选取对尺寸精度影响很大，为此拔模斜度定为45＇，加工面处为正拔，其余为正负拔。

2）浇冒口的布置

图7 一体式冲击座工艺分析简图

浇注系统采用“中间注入式开放式”使浇注平稳，同时浇口碗、直浇道采用耐火制品，使浇注系统有足够的耐火度和强度，避免冲砂和夹砂缺陷。为保证铸件的“密实度”，在冲击座头部及尾部加设冒口，并在冒口外设保温冒口套，便于补缩、集渣和排气，如图7所示。

3）合箱及合箱至浇注时间的确定

酯硬化自硬砂造型，铸型表面强度易“回潮”，24 h铸型强度会有明显的下降，易导致冲砂砂眼缺陷，故造型至合箱时间确定为4 h以内。为避免合箱后砂芯“吸潮”强度降低，合箱至浇注时间确定为4 h以内。

4）为避免砂眼缺陷，造型时面砂、背砂均采用连续式混砂机混制的酯硬化水玻璃砂，提高砂型的强度。

5）芯砂种类

为保证砂芯强度，砂芯亦采用酯硬化水玻璃砂打制，并在表面涂刷醇基锆英粉涂料，改善砂芯的耐火度及出砂性。同时酯硬化水玻璃发气量较小，可以减少气孔缺陷。但砂芯重量加大，增加下芯难度。

6）钢水浇注温度为：1580℃～1620℃.

7）防止变形的措施

根据结构特点，设置拉筋，如图7所示，将开放性结构改变为封闭结构，并加设一定的反变形量消除剩余铸造应力的影响。

4 铸造缺陷及工艺改进措施

4.1 气孔

在生产过程中，由于冲击座类铸件为箱形结构，且采用整体砂芯，体积过大，发气量很大，在浇注过程中气体排不出去，导致铸件产生气孔和浇不足的缺陷。对此采取如下工艺措施：

1）按照产品工艺特点，在冲击座砂芯制造过程中，在砂芯中放置焦炭以提高透气性，并且焦炭在浇铸过程中不产生气体，也可降低气体来源；在冲击座芯盒上设计十字形组合掏空，效果更显著。并且降低了砂芯重量。

3）在砂型与砂芯芯头相接处设置排气道，加快排气速度。

4）合箱后，手工扎排气孔，增加浇注过程中的排气能力。

4.2 缩孔、缩松

在试制过程中发现，在冲击座头部存在补缩不足或缩孔，而在冲击座拉筋根部有缩松存在。为此将冷铁和冒口进行了调整

1）在冲击座头部冒口上加设保温冒口套，同时加设冒口圈，提高金属液体压头高度，增加液态金属补缩量；并增大冲击座冒口根部圆角，延长补缩时间，增大补缩范围。

2）冲击座头部厚壁处设置成形冷铁，加快厚壁处钢水冷却速度，配合冒口使用，增加冒口补缩距离，提高冒口补缩效率。

4.3 变形和尺寸超差

由于冲击座类铸件为类箱形、开放式结构，凝固状态复杂，导致各处铸造应力不同，使内腔外胀，尺寸超差；对此采取的工艺措施如下。

1）在冲击座整体芯两个平板上设置球形的反变形量，最高处为3mm，抵消铸造应力的影响。

2）根据冲击座结构特点，在各位置设置不同尺寸的矩形拉筋，将开放性结构改变为封闭结构，并通过控制拉筋尺寸，调整拉筋所起的作用。

3）调整冲击座各部位尺寸，抵消铸造应力对收缩率的影响。

5 结 论

通过反复的工艺改进和试制，一体式冲击座在酯硬化造型线上投产获得成功，通过各项检测，满足使用要求，并批量生产，装车使用。上述工艺验证表明上述一体式冲击座的生产工艺合理，可以作为典型工艺生产同类产品。

［1］华中理工大学.铸造工艺学［M］.北京:机械工业出版社.

［2］哈尔滨工业大学.铸件形成理论［M］.北京:机械工业出版社.