變速箱體鑄造工藝研究

任國波，宋 巖

（中車戚墅堰機(jī)車有限公司，江蘇常州 213011）

變速箱體材料為EN-GJS-400-18-LT（EN 1563），零件重量為128.8 kg，鑄件重量為162 kg，箱體類結(jié)構(gòu)，輪廓尺寸為961 mm×596 mm×252 mm，圖1 為鑄件三維圖。鑄件圖紙中標(biāo)識(shí)位置（見圖2）為射線探傷2 級(jí)，其余為射線探傷3 級(jí)。批量生產(chǎn)時(shí)鑄件須進(jìn)行超聲波探傷檢查，超聲波探傷位置、要求與射線探傷一致。

圖1 變速箱體鑄件三維結(jié)構(gòu)圖

圖2 鑄件內(nèi)部質(zhì)量圖示

1 鑄造工藝方案與Procast 工藝模擬

1.1 鑄造工藝方案

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與質(zhì)量要求，在工藝設(shè)計(jì)時(shí)采用變速箱體中間分型，如圖3 所示，砂箱工裝使用1 140 mm×1 020 mm 通用砂箱。變速箱體內(nèi)腔使用砂芯結(jié)構(gòu)，外部吊裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)砂芯，共4 個(gè)砂芯，如圖4 所示，變速箱體內(nèi)腔的1#和2#砂芯須先落入3#砂芯中，隨3#砂芯一起落入下型中，4#砂芯背面預(yù)留20 mm 補(bǔ)砂區(qū)，由外向內(nèi)推至固定位置。澆注系統(tǒng)采用頂注封閉式澆注系統(tǒng)[1]，阻流截面在內(nèi)澆口上，澆注開始后金屬液容易充滿澆注系統(tǒng)，擋渣能力較強(qiáng)，金屬液消耗少，且清理方便。內(nèi)澆口分散開設(shè)在法蘭面上，方便鑄件清理，根據(jù)壁厚及澆注時(shí)間的確定，按阻流截面設(shè)計(jì)法計(jì)算澆注系統(tǒng)尺寸，其中F直∶F橫∶F內(nèi)=2.04∶1.64∶1，澆注溫度為1 350 ℃～1 370 ℃，澆注時(shí)間為25 s.

圖3 變速箱體外模結(jié)構(gòu)

圖4 變速箱體砂芯結(jié)構(gòu)

1.2 Procast 工藝模擬

為驗(yàn)證變速箱體鑄造工藝設(shè)計(jì)的合理性，通過Procast 進(jìn)行了工藝模擬，如圖5 所示。模擬結(jié)果顯示有縮孔缺陷。縮孔位置均在結(jié)構(gòu)熱節(jié)處，主要原因是鑄件結(jié)構(gòu)壁厚變化突然，孤立的熱節(jié)得不到補(bǔ)縮。為防止工藝試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生縮孔缺陷，在模擬缺陷位置處放置冷鐵進(jìn)行熱節(jié)處快速冷卻和保溫冒口進(jìn)行液態(tài)補(bǔ)縮。

圖5 鑄造工藝模擬結(jié)果

2 工藝試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果

2.1 第一次試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)工藝模擬結(jié)果，在變速箱體相應(yīng)位置放置了冷鐵和保溫冒口，見圖6.澆注溫度為1 370 ℃，澆注時(shí)間為23 s，外模涂料為醇基涂料流涂、冷鐵部位燃?xì)鈬姛艉婵尽?/p>

圖6 變速箱體冒口和冷鐵布置圖

第一次試驗(yàn)結(jié)果表明：

1）清理后的鑄件經(jīng)過三維掃描符合設(shè)計(jì)三維（見圖7 三維掃描對(duì)比圖）；

圖7 鑄件三維掃描結(jié)果

2）X 射線探傷結(jié)果在工藝模擬時(shí)有縮松缺陷位置未發(fā)現(xiàn)缺陷，但在吊鉤與變速箱體接觸位置發(fā)現(xiàn)了4 級(jí)縮松缺陷（見圖8 中29 號(hào)片位置），外部厚大部位與變速箱體連接處發(fā)現(xiàn)縮松3 級(jí)（見圖8中13 號(hào)片位置）；

圖8 射線探傷圖片

3）拋丸后的變速箱體鑄件在上型平面處發(fā)現(xiàn)表皮氣孔缺陷（見圖9），影響鑄件外觀質(zhì)量；

圖9 表層氣孔缺陷

4）附鑄樣低溫沖擊值為8 J、10 J、10 J，低溫沖擊不符合EN 1563.

分析第一次試驗(yàn)缺陷表明：

1）射線探傷中13 號(hào)片及29 號(hào)片缺陷位置均在與箱體連接位置，屬于獨(dú)立熱節(jié)，分析認(rèn)為此連接部位壁厚較其他無連接部位厚，須增加冷鐵加快此兩處冷卻速度，減小或消除此兩處縮松缺陷。

2）拋丸后的表層氣孔缺陷位置在澆注系統(tǒng)對(duì)面，遠(yuǎn)離澆注系統(tǒng)，分析認(rèn)為是鐵水流至該處時(shí)溫度降低，導(dǎo)致砂芯產(chǎn)生的氣體無法及時(shí)排出產(chǎn)生了表層氣孔，應(yīng)提高澆注溫度或加快鐵水流動(dòng)至該處，工藝措施為提高澆注溫度，并墊高澆注系統(tǒng)一側(cè)加快鐵水流動(dòng)至澆注系統(tǒng)對(duì)面。

3）針對(duì)附鑄樣低溫沖擊不合格問題分析認(rèn)為現(xiàn)在含Si 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.2%～2.5%，一定的Si 能促進(jìn)石墨、防止?jié)B碳體的產(chǎn)生，但Si 會(huì)提高材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度，降低韌性，措施為降低Si 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)至2.0%～2.2%.

2.2 第二次試驗(yàn)驗(yàn)證

2.2.1 第二次試驗(yàn)工藝改進(jìn)

根據(jù)第一次試驗(yàn)分析結(jié)果，采取措施為：1）在13 號(hào)片及29 號(hào)片位置增加鉚釘和圓鋼作為冷鐵降低該兩處的縮松缺陷（見圖10）；2）提高澆注溫度至1 400 ℃，并墊高澆注系統(tǒng)一側(cè)60 mm，降低表層氣孔缺陷；3）熔煉時(shí)降低Si 質(zhì)量分?jǐn)?shù)至2.0%～2.2%，提高附鑄樣的低溫韌性。

圖10 冷鐵布置圖

2.2.2 第二次試驗(yàn)結(jié)果

1）X 射線探傷結(jié)果29 號(hào)和13 號(hào)片位置為1級(jí)，符合圖紙要求（見表1）；

表1 變速箱體探傷結(jié)果

2）拋丸后鑄件表面無表層氣孔缺陷，鑄件表面質(zhì)量良好；

3）附鑄樣低溫沖擊值為12 J、14 J、10 J，低溫沖擊符合EN 1563.

3 結(jié)論

1）使用合理的冷鐵和冒口結(jié)構(gòu)，確保鑄件重要部位的內(nèi)部質(zhì)量。

2）增加澆注溫度及墊高澆注系統(tǒng)一側(cè)可增加鐵水的流動(dòng)速度，降低遠(yuǎn)離澆注系統(tǒng)一側(cè)的表面氣孔缺陷。

3）合理的Si 含量能提高附鑄樣的低溫韌性。