轻轨车辆用密接式车钩铸造工艺研究

贾旭，吕昌略，姜伟航，周子龙

（江苏朗锐茂达铸造有限公司，江苏江阴 214445）

轻轨车辆用密接式车钩铸造工艺研究

贾旭，吕昌略，姜伟航，周子龙

（江苏朗锐茂达铸造有限公司，江苏江阴 214445）

在钩体研制过程中，对产品的技术要求和结构特点进行分析，设计初步的铸造工艺；利用M AG M A软件进行铸造模拟分析，通过对铸造工艺进行冲型、凝固过程的模拟计算和缩松、缩孔的预测，对工艺进行优化。根据确定的工艺进行模具的制作，对试验结果进行分析，进行工艺改进，并进行热处理试验和尺寸的加工确认，研制出满足要求的钩体。

密接式车钩；铸造工艺；铸造模拟分析；工艺改进

随着城市轨道交通的快速发展，城市地铁车辆、低地板轻轨车辆在大中型城市快速发展，通过引进吸收与自主创新的结合，加速产品的科技进步和产业化进程，实现客运速度快、运量大、安全、准时等特点。密接式车钩缓冲装置安装于车辆车体上，起连接车辆、缓冲纵向冲击的作用，能够显著降低车辆的纵向冲击，从而大大提高车辆的舒适性和安全性。江苏某一线城市100%低地板有轨电车的救援车钩为密接式车钩缓冲装置，列车持续运营速度为70 km/h，最高试验速度为80 km/h。密接式车钩缓冲装置包括轻轨用密接式车钩（以下简称QG钩体）、钩身杆、缓冲吸能装置（胶泥缓冲器）、高度调节装置（支撑橡胶）、固定装置、折叠装置以及中间卡环连接装置等。QG钩体为钩缓装置中最为重要和受力较大的零件，采用砂型铸造进行制作。

1 技术要求及结构特点

1.1 技术要求

QG钩体需要进行射线探伤检测，关键部位的内部质量要满足ASTM E446的П级要求，其余部位满足Ⅲ级要求；铸件表面进行磁粉探伤检查，需要满足GB 9444的П级要求；QG钩体需要进行拉伸、压缩强度试验；QG钩体成份要满足TB 2942中C级钢的要求；QG钩体的力学性能要满足表1的要求。

表1 性能要求

1.2 结构特点

QG钩体结构复杂，属于典型的薄壁框型铸件，加工部位较多，产品结构如图1所示，钩体的主体面壁厚及凸锥壁厚尺寸为8 mm，钩体连挂面平面的毛坯壁厚达到26 mm，壁厚悬殊较大（图2所示），铸件容易产生裂纹、浇不足、冷隔等铸造缺陷。铸件的外形尺寸为480×420×240（mm），中间安装钩舌部位和尾部轴孔部位为主要受力部位，经过计算机仿真分析计算，材料强度能满足要求，尺寸的相互关联性较强，热节部位较多，铸造难度相对较大。

2 工艺方案及优化

2.1 铸造工艺分析和设计

QG钩体主体结构为上下对称，但连挂面顶面有一侧有方形凸台，通过整体考虑，分型面选择产品的中心面，有方形凸台的面作为上型，这样有利于对此部位的补缩设计，根据产品的特点，由于铸件主体壁厚较薄，冒口的水平补缩距离较小，采用小冒口多点补缩，热节部位重点补缩，浇注系统采用中间注入式。

图1 QG钩体产品图

图2 QG钩体壁厚简图

为提高冒口的补缩作用，防止缩孔和缩松的出现，得到组织致密的铸件，同时，此种材料收缩较大，结晶温度范围较小，采用顺序凝固的的原则[1]，使铸件的侧面凸台和下型平面结构最先凝固，保证冒口部位最后凝固。在钩体连挂面顶面中间部位设计明冒口，不仅确保补缩质量，而且这个部位是铸件的最高部位，有利于钢液冲型过程的出气。为使钢液冲型过程中，钢液冲型平稳，并且能够在短时间内充满型腔，不产生浇不足、冷隔等缺陷，设计从钩体的连挂面侧面引入钢液。为得到顺序凝固，在侧面的凸台部位及远离浇冒口的部位放置冷铁。浇注系统采用开放式的类型，冲型平稳，对型腔冲刷较小，浇道面积之比为∑直∶∑横∶∑内=1∶1.12∶1.12。

2.2 铸造模拟分析

为了加快试制进程，获得合格的铸件，确保铸件内在质量，采用MAGMA软件对其进行了模拟分析和工艺优化。首先，采用三维造型软件建立三维铸件模型，并构造冒口、冷铁和浇注系统。然后通过STL接口输入到MAGMA软件中，并对设计的工艺模型网格划分，并在前处理模块中输入初始数据，设置边界条件，进行充型过程、凝固过程模拟计算。根据计算结果进行分析，①冲型过程比较平稳；②观察热节部位，热节集中区域如图3所示；③用判据进行观察，分析铸件可能产生缩孔、缩松的区域,如图4所示。

图3 铸件热节图

图4 铸件凝固后缺陷图

2.3 工艺方案优化

(1)在主气阀的侧面、凹锥边缘出现缩松部位放置φ60×90（mm）保温冒口。

(2)将钩体连挂面顶面中间部位的明冒口换成保温冒口，减少冒口中钢液热量的散失，提高冒口的补缩效果。

(3)图4中凸锥和凹锥的中间部位（下型）在凝固过程中，属于典型的孤立液相区，在凝固过程中没有钢液进行补缩，在下部和侧面放置冷铁，相当于减少此部位的模数，使其迅速凝固，减少缺陷的形成。

3 产品试制及工艺改进

(1)根据优化的工艺方案进行模具设计并制作。用酯硬化水玻璃砂造型、制芯，钩体头部凸锥部位的坭芯用铬铁矿砂制作，外模、坭芯均刷涂醇基锆英粉涂料。

(2)QG钩体浇注后进行清砂、浇冒口切割、打磨、磁粉探伤，磁粉探伤检查过程中发现QG多处出现裂纹，裂纹主要出现集中于三个部位：①凸锥与连挂面相连接的部位，裂纹长度在50～80 mm之间；②QG钩体主体面与连挂面相连的内外部交接部位，裂纹长度在70～100 mm之间；③钩舌安装孔与主体面交接部位出现目视裂纹，如图5所示。

(3)针对出现的裂纹采取以下措施:①增大凸锥与连挂面相连接的部位的圆角尺寸并设置防裂筋；②增大主体面与连挂面相交接部位的圆角尺寸并设置防裂筋；③在钩舌安装孔部位设置防裂筋，并设计使用内冷铁，根据文献[1]给出的不熔合内冷铁最大直径的计算公式 dmax=0.2tUMr1.8进行计算，其中tU=120 ℃，Mr=1.4 cm，计算出dmax=44 mm；选择ø30 mm的圆钢作为内冷铁进行试验。铸件浇注后进行清砂、浇冒口切割、打磨、磁粉探伤，铸件表面没有较大裂纹，热处理后进行机加工，加工过程中钩舌安装孔出现裂纹，如图6所示。

图5 安装孔部位裂纹图

图6 加工后安装孔裂纹图

(4)热处理工艺。采用正火+调质的热处理方式，材料具有一定的回火脆性，在热处理回火过程中利用快速冷却的方式进行避免，回火后进行水冷，在得到高强度的同时得到好的塑性和韧性，金相组织为回火索氏体。

4 试验结果

根据前期试验的结果，确定最佳工艺方案：舍弃内冷铁的使用，在连挂面及钩舌安装孔出现裂纹部位进行结构改进，并在此部位设置防裂筋，进行试验，结果如下：

(1)铸件表面成型较好，无浇不足、褶皱、气孔等表面缺陷；

(2)铸件打磨整理后进行DR检测，所有部位均满足技术条件的要求，关键区域的评级达到ASTM E446的П级水平，其余部位均达到Ⅲ级水平；

(3)进行铸件尺寸检测，均满足加工要求，缩尺设置合理；

(4)对热处理后的同炉试棒进行力学性能检测，结果满足要求，具体数据如表2。

表2 力学性能结果

5 结论

(1)在QG钩体开发过程中充分发挥MAGMA铸造模拟软件的作用，指导铸造工艺设计，确保内部质量，缩短开发周期，，提高研制的成功率。

(2)合理的热处理方式可以得到良好的综合机械性能，QG钩体采用正火+调质的热处理方式不仅得到良好的强度和塑性，同时也得到良好的低温冲击韧性。

(3)由于内冷铁在铸件凝固期间阻碍线收缩的应力过大而使铸件产生裂纹，所以工艺设计过程中谨慎使用内冷铁。

[1] 中国机械工程协会铸造分会，铸造手册：第5卷铸造工艺[M].北京：机械工业出版社.2003.

[2] 俞树吉, 荆留生,吴剑敏,等.铁道客车密接式车钩铸造工艺的改进与生产实践[J]. 中国铸造装备与技术,2014(6).

[3] 石炳华. BHP旋转车钩钩体铸造工艺设计[J]. 中国铸造装备与技术,2010(1) .

Casting technology research of tight-lock coupler for light rail vehicle

JIA Xu,LV ChangLue,JIANG WeiHang,ZHOU ZiLong
（CSR Jiangsu Leadrun Manden Casting Co.,Ltd.,Jiangyin 214445,Jiangsu,China）

In the process of tight-lock coupler development，the technical requirements and structure characteristics were analyzed,and the preliminary casting process was designed.MAGMA casting simulation software was used to optimize the casting process by calculating filling ,solidification and forecasting shrinkage cavity,shrinkage porosity .The moulds were made according to the optimized process.The improvement was put forward according to the test results.After heat treatment test and machining dimensions were studied, the tightlock couplers accorded with the requirements are produced.

tight-lock coupler;casting process;casting simulation analysis;process improvement

TG244；

A；

1006-9658（201 6）04-0067-03

10.3969/j.issn.1 006-9 658.2016.04.01 7

2016-01-23

稿件编号: 1601-1232

贾旭（1983—），男，工程师，主要从事铸钢件材料研究及工艺设计.