電渣車支框工藝設計及優化

摘要：支框是電渣車渣罐的重要支撐部件，在渣罐傾翻使用過程中支框要承受較大的扭剪力，況且其工作環境十分惡劣，因此對產品質量的要求較高。本文通過對支框的結構特點、圖紙技術要求、使用狀況等方面進行分析，通過合理設計工藝工裝和鋼水熔煉工藝等措施，解決了支框軸頭裂紋、粘砂等缺陷，保證鑄件的內外在質量，提高了生產效率。此次工藝優化對我公司開拓市場和創造品牌產品具有十分重要的意義。

關鍵詞：支框；工藝；裂紋

1.支框使用狀況簡述、技術要求及前期生產總結

1.1.使用簡況及前期試制生產總結

支框主要安裝在火車車架上，起固定和支撐渣罐的作用，材質 ZG270-500，其外形尺寸為5640×3750×785mm，主要壁厚為80mm，毛重為12800kg，本次為小批量生產。在渣罐傾翻時承受較大的扭剪力，使用時容易產生變形和斷裂，因此鑄件不允許有氣孔、砂眼、裂紋、冷隔等鑄造缺陷，并且具有較好的耐高溫及抗脆性斷裂性能（見圖1）。

圖1 支框使用狀況示意圖

1.2.主要技術要求

1.2.1.化學成分要求（見下表1）：

表1 支框化學成分要求

1.2.2.力學性能。抗拉強度≥500Mpa。

1.2.3.金相組織。晶粒均勻細小的鐵素體和珠光體。

1.2.4.熱處理。支框鑄造后需進行整體退火處理，消除鑄造內應力改善機械力學性能

1.3.前期生產總結

經過前期的試制生產的4件支框情況發現，主要存在以下幾點問題：

1.3.1.冒口下“縮孔”缺陷。主要是冒口的補縮能力不足，導致冒口下存在深度約50mm左右的“縮孔”缺陷。

1.3.2.支框腰部存在裂紋。支框在進行體收縮時的內應力較大，導致最后凝固的內澆道部位產生裂紋缺陷。

1.3.3.軸頭裂紋裂紋。工藝設計不合理導致。

2.支框鑄造工藝方案及工藝參數的最終確定

2.1.工藝分析

2.1.1.支框的幾何尺寸較大，屬于橢圓框架結構，在框架連接處的熱節位置易產生裂紋，增加了鑄造難度。在軸頭和腰部是力矩傳遞和受力部位，其內在質量的好壞將直接影響支框的整體壽命；

2.1.2.支框要與渣罐相配合組裝，所以幾何尺寸必須嚴格控制在公差范圍內；

2.1.3.設計專用工裝，以提高生產效率，節約鑄造造型和修復成本；

2.1.4.重量的允許偏差為理論重量的3%～5%，通過使用合理的鑄件伸尺和工藝參數設計、精心控制各個重點環節、精確計算鋼水澆注量等措施加以控制，生產出幾何尺寸、外觀質量、技術要求質量的合格鑄件。

2.2.生產難點及主要技術攻關——軸頭裂紋產生的原因分析及解決措施

2.2.1.裂紋產生原因分析

在生產中遇到了軸孔及腰部產生裂紋缺陷得技術難題，此問題嚴重影響支框的使用壽命，經討論分析，主要由于以下原因所造成：

2.2.1.1.支框軸頭壁厚，冒口設計太小。支框軸頭熱節位置集中于冒口下的鑄件本體上，成為最后凝固部位，受先凝固部位的拉應力影響，其本身強度不足支撐拉應力而導致鑄件凝固過程中開裂；

2.2.1.2.澆注溫度太高。金屬液在接近凝固溫度時，由于收縮量較大，強度較低，塑性較差，鑄件不能自由收縮易產生熱裂紋；

2.2.1.3. 支框腰部裂紋位于水口下方，主要是由于水口位置溫度高，最后凝固，受拉應力而開裂；

2.2.2.裂紋解決措施

2.2.2.1.軸孔上部腰圓冒口尺寸設置為Db300×500×550㎜，以利于補縮；

2.2.2.2.中間芯鐵全部綁2層草袋，以增加砂型退讓性；

2.2.2.3.軸孔孔芯中間內空，制芯時在芯內加入φ45㎜的蛇口棒作為芯鐵；

2.2.2.4.提高澆注速度，把φ55㎜孔徑的鋼水包鑄口磚加工到φ65㎜后使用；

2.2.2.5.澆注溫度高是支框產生裂紋的主要原因之一，因此要嚴格控制澆注溫度，漏包澆注溫度控制在1520～1530℃。

2.3.鑄造工藝方案確定

2.3.1.鑄造方法選擇

通過對支框的結構進行分析，決定采用專用砂箱+專用金屬模的鑄造造型工藝。

2.3.1.1.設計專用砂箱

專用砂箱的設計思路：

2.3.1.1.1.砂箱隨型，保證四周吃砂量至少150mm以上；

2.3.1.1.2.內澆道在砂箱上設計出，分兩道從中間部位返向鑄件；

2.3.1.1.3. 砂箱要有足夠的強度，底箱封死，防止鑄件跑火。

2.3.2.設計金屬模：金屬模伸尺選用25‰，軸頭部位鑄造圓角相應的增大，為保證起模斜度設計正拔模斜度，軸頭兩側15mm，端部20mm，腰部15mm，另在模具上設置活塊固定槽，槽深10mm。

2.3.3.型砂選用CO2硬化水玻璃砂。型砂配比為：石英砂100%+水玻璃12～14%。

2.3.4.涂料選用醇基鋯英粉涂料，造型后至少涂刷2遍以上，保證涂料層厚度不低于2㎜。

2.4.鑄造工藝參數設定

2.4.1.凝固原則：凝固方式采用順序凝固。

2.4.2.分型面確定（其中分型負數為10mm）

2.4.3.澆注系統計算及參數設定

①、澆注時間確定

2.4.4.冒口設計

2.4.5.冷鐵的放置

在鑄件的熱節位置放置內冷鐵可加快鑄件冷卻速度，取得組織致密鑄件；在軸頭和熱節外部放置外冷鐵可以消除熱節處的縮孔和縮松，減少裂紋的產生。

3.重點過程的控制要點

3.1.模樣制作

3.1.1.按25‰的伸尺制作金屬模型；按照12‰伸尺制作EPS實樣及活塊，按照工藝保證尺寸精度和拔模斜度。

3.1.2.在外皮實樣處刻活塊2的位置槽深10mm，軸頭隨型掏空保證壁厚80mm；

3.2.造型

3.2.1.中間芯鐵綁兩層草袋，提高砂芯退讓性；

3.2.2.為保證起模及支框兩頭端面加工余量，造型時兩頭端面貼15～20㎜的泡沫；

3.2.4.冒口位置準確、大小合適，保證鑄件補縮通道暢通；

3.2.5.砂型的緊實度和透氣性合適，涂料涂刷均，且厚度至少1.5mm。

3.3.鋼液的冶煉及澆注

3.4.鑄件的清整

澆注完畢3小時后打蓋箱與中圈之間的卡子，然后吊蓋箱，使蓋箱松動，以防鑄件收縮受阻，48小時后熱打箱。高溫退火后切割冒口。

3.5. 熱處理

支框毛坯的組織晶粒粗大并不均勻，且存在殘余內應力，因此需整體退火，獲得晶粒均勻細小的鐵素體和珠光體組織以達到細化晶粒，消除內應力，改善機加工性能。。

組織說明：鑄鋼件加熱到Ac3以上50～70℃溫度，完全奧氏體化后，爐冷分解成細小的鐵素體和珠光體，白色為等軸的鐵素體和黑色為珠光體，珠光體呈網狀分布。

4.總結

4.1.造型時采用金屬型模具有效的保證了支框輪廓尺寸的穩定性，筋板，法蘭采用EPS活塊簡化了造型工藝。采用專用砂箱造型，提高了生產效率，同時節約型砂，有效降低生產成本；

4.2.通過控制澆注溫度，放置內外冷鐵，及松箱、打箱時間的控制，有效的解決了軸頭裂紋問題；

4.3.通過電渣車支框的鑄造生產，為后續重大異型鑄件的生產積累了豐富的經驗，為我公司開拓市場和創造品牌產品具有十分重要的意義。

作者簡介：陳軍 （1982—），男，漢族，四川攀枝花人，蘭州理工大學材料成型及控制工程專業鑄造方向，助理工程師，主要從事鑄造工藝設計及質量控制工作。