重卡驅動橋橋殼的鑄件研發

程永剛，梁繼亞，徐國強

（共享智能鑄造產業創新中心有限公司，寧夏銀川 750021）

驅動橋橋殼是中重型商用汽車的重要零件之一，產品結構如圖1 所示，此驅動橋橋殼全長2 216 mm，最小壁厚6 mm，屬于加長型橋殼。此類橋殼產品在傳統的鑄造工藝生產中，需要單獨制作一個細長內腔砂芯，此內腔砂芯極易變形，甚至斷裂；同時由于該類鑄件較長且壁薄，鑄造生產時尺寸較難控制，充型困難，鑄造難度高，最終導致鑄件的廢品率較高。針對傳統生產存在的問題，采用3D 打印技術與傳統工藝相結合的方式，可以成功生產出重卡驅動橋橋殼。

1 鑄件結構及技術要求

鑄件生產的基本信息如表1 所示，產品三維模型如圖1 所示。

圖1 產品三維模型圖

表1 產品基本信息

鑄造生產技術要求：

（1）尺寸等級CT10；

（2）NDT 要求關鍵區域UT2 級，加工后不允許有任何缺陷外漏；

（3）首批次鑄件需進行裝機疲勞試驗，要求在設計載荷下不得發生變形、裂紋及斷裂現象。

2 現有技術生產中存在的問題

重卡驅動橋橋殼在設計工藝時，傳統的鑄造方法中，會形成一個細長內腔砂型，如圖2 所示。此內腔芯在組芯下至下箱中時，由于內腔砂型兩頭細長，中間粗大，受自身重力的影響，砂芯極易變形，甚至斷裂，最終導致鑄件的廢品率很高，可達20%～30%.針對此情況，并結合3D 打印的特性，設計一套適用于此類鑄件的組芯工藝，從而克服上述問題。

圖2 內腔芯示意圖

3D 打印是以三維模型數據為基礎，利用打印頭、噴嘴或者其他打印技術，通過材料堆積的方式來制造零件或實物的工藝。本次整砂型3D 打印所用設備技術參數如表2 所示。

表2 3D 打印技術參數

3 現有技術在生產中的應用

3.1 鑄件結構分析及工藝方案確定

此類橋殼鑄件屬于薄壁件，充型困難，為方便充型以及平衡溫度場，澆注方向選擇為橋包開口向下，進流位置選擇為中注。此產品整體輪廓尺寸為2 216 mm×395 mm×277 mm，鑄件整體較長、偏薄，對鑄件內腔整體補貼取1.5 mm～2 mm，對于壁厚有公差要求的位置按照上偏差進行補貼，如圖3 所示。鑄件厚大區域為兩側的圓法蘭，因此在兩側的圓法蘭上部設計12/15K 保溫頂冒口進行補縮，并在如圖4 所示的關鍵區域及打孔區域放置冷鐵，以保證缺陷不會出現在這些位置。

圖3 薄壁區補貼示意圖

圖4 冷鐵示意圖

3.2 澆注系統設計

該產品屬于球墨鑄鐵件，為避免卷氣、夾渣等問題，設計澆注系統如圖5 所示。澆注系統選擇為中注開放式澆注系統，在橫澆道上設置過濾網，其比例為ΣA直∶ΣA橫∶ΣA內=1∶2.7∶2.8.

圖5 澆注系統及冒口示意圖

3.3 砂型工藝設計

3.3.1 分型方案

結合3D 打印的特性，將內腔芯設計在下型上。為避免出現錯型、減少后續打磨以及方便鑄件的清砂，分型面選在產品的中分面，如圖6 所示。

圖6 分型面示意圖

3.3.2 砂型結構設計

如圖7 所示，砂型分為兩部分，其中下型集成內腔芯，為保證砂型的整體剛度，避免內腔芯出現變形以及斷裂的情況，吃砂量不小于150 mm.在上、下型的兩側設計四個子母扣定位臺，起到定位作用。鑄型整體使用槽鋼夾持，下型開設槽鋼預留槽，上型設計橫向擋板配合。砂型的分型負數、定位間隙設計為1 mm，非定位間隙設計為2 mm.

圖7 分型方案示意圖

4 熔煉工藝

采用中頻感應電爐熔煉工藝，將化學成分控制為：ω（C）3.6%～3.8%，ω（Si）2.4%～2.8%，ω（Mn）0.3%～0.5%，ω（S）0.03～0.035%，ω（P）＜0.1%，ω（Mg）0.045～0.05%.選用低鎂低稀土球化劑，采用堤壩沖入法球化與孕育處理，出鐵液溫度控制在1 500 ℃～1 550 ℃，澆注溫度控制在1 390 ℃～1 410 ℃.

5 現場操作要點

5.1 清砂

預先進行初步清砂，盡量避免疾風猛吹，風壓要求0.4 MPa，距離要求≥100 mm，嚴禁長時間對著下型夾層吹風。

5.2 施涂及烘干

（1）涂料種類：HA8866C；

（2）波美度：55±2；

（3）流涂時下型需傾斜30°，流完后應保持此狀態，直至夾層處的堆積涂料清理干凈；

（4）烘干工藝：40 ℃烘干24 h 以上，或者110 ℃烘干30 min，為防止砂型斷裂，烘干結束后應隨爐冷卻。

圖8 所示為流涂及烘干過程。

圖8 流涂及烘干過程

5.3 組芯

傳統砂型組芯過程中需將內腔芯放置在下型；3D 打印砂芯，無需出內腔芯，直接按圖7 所示組芯。

6 生產中存在的問題及解決方案

在鑄造工藝中，根據圖9 所示位置的模數大小設計冒口，發現鑄件在這些部位仍有根縮及斷裂出現。

圖9 鑄件根縮位置

通過分析，采用以下措施解決上述缺陷：

（1）冒口根縮：改變冒口頸大小,如圖10 所示，設計為壁厚的0.8 倍，讓其逐層凝固；

圖10 鑄件冒口位置

（2）疲勞斷裂：對斷裂位置進行圓滑過渡，并再次增加1.5 mm～2 mm 補貼，如圖11、圖12 所示。

圖11 疲勞斷裂位置

圖12 補貼位置示意

7 結束語

針對3D 打印技術，設計了一套適用于驅動橋殼的3D 打印生產工藝方法，代替了傳統的造型工藝。3D 打印技術因為無需考慮起模以及撤料的問題，可以將氣缸體關鍵部分砂芯連接為一體，由原來的三個砂芯減小到兩個砂芯，從而減少了砂芯總數、簡化了組芯造型過程、降低了現場操作難度以及因操作復雜而導致的質量波動，提高了驅動的使用性能，保證了橋殼使用壽命。