一種鋁合金齒輪箱體氣孔缺陷原因分析及解決措施

孫亞肖，李向平，白 云，查明暉

（中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司，江蘇 常州 213011）

城際動車組在原動車組基礎上，依據公交化城際運營，具有運能大、快起快停、站間距短、節能環保、安全性好等優點，隨著我國城市化進程的持續發展和城市化水平的不斷提高，將在中短途運輸、大城市近郊、大城市與衛星城市之間，發揮越來越重要的作用。

城際動車組齒輪驅動裝置作為地鐵車輛轉向架核心部件之一，它主要負責實現電機與動力輪對之間的動力傳遞并將電機轉速降低到適合于輪軸旋轉的水平。齒輪箱體作為整個驅動裝置的載體，一旦齒輪箱出現故障,將造成車軸卡滯,極端情況下還可能造成車輛脫軌甚至更大的安全事故，因此齒輪箱鑄件質量的好壞將直接影響到動車組運行的安全性和可靠性[1，2]。本文旨在對齒輪箱鑄造過程中產生的“氣孔類”鑄造缺陷進行分析研究，以提高鑄件的鑄造質量水平。

1 氣孔缺陷形貌

城際動車組齒輪箱材料選用鋁硅鎂合金材料（AlSi7Mg），力學性能要求抗拉強度≥230 MPa，屈服強度≥190 MPa，伸長率≥2%。齒輪箱上箱體（圖1），結構復雜，箱體外表面設計多處加強筋、安裝凸臺及觀察孔等，箱體成型工藝難度大。在產品開發過程中，鑄造缺陷主要為氣孔缺陷，鑄件成品率僅為60%左右，氣孔缺陷位置及形貌如圖2所示。

圖1 齒輪箱三維結構圖

圖2 齒輪箱氣孔缺陷位置及形貌

2 氣孔缺陷原因分析

針對現鑄造工藝進行充型過程模擬分析，如圖3 所示，從中可以看出在充型過程中寬筋部位兩側的金屬液面交匯，并卷入部分空氣，緊接著澆注截面積變小，導致氣體滯留寬筋周圍附近，加之頂部觀察窗設置有冷鐵，導致頂部溫度較低，液體凝固較快，從而使得氣孔在凝固過程中未及時排出，在寬筋或頂部觀察窗部位出現。從模擬結果分析，寬筋和頂部觀察窗附近在澆注過程中有氣孔卷入，但是從其充型溫度場模擬結果可以看出卷入氣體向上排出的通道局部溫度為590 ℃，導致卷入的部分氣體難以排除鑄件，形成氣孔缺陷。

圖3 充型過程模擬分析

3 工藝優化

3.1 優化方案一

對箱體寬筋對應部位增加單獨小澆道，去掉觀察窗冷鐵，升高頂部金屬液溫度，使氣體能夠順利排出。通過模擬澆注過程發現：澆注過程中，在小澆道的作用下寬筋附近卷入的氣體排出通道溫度升高，如圖4a 所示，利于該部分氣體排出；但是由于頂觀察窗充型完成時金屬液溫度在590～600 ℃的范圍內，極大可能會導致頂部觀察窗氣孔出現幾率增加，如圖4b 所示。在此工藝條件下，跟蹤箱體探傷結果發現寬筋氣孔出現比率為1.19%，但是觀察窗氣孔發生比例增加，由原來的7.14%增加至13.4%。

圖4 優化方案一充型溫度場模擬分析

3.2 優化方案二

在優化方案一的基礎上，在觀察窗部位增加溢流冒口。此冒口為暗冒口，以便觀察窗部位的氣體順利排出。如圖5 所示，對此工藝的充型過程模擬，發現鑄件100%充型時寬筋和觀察窗部位及其周圍部位的溫度在620 ℃左右，利于卷入氣體排到溢流冒口中，降低鑄件氣孔出現的比例。在此工藝條件下，對鑄件進行跟蹤驗證，鑄件在寬筋和頂部觀察窗部位的氣孔發生率為0，該氣孔缺陷得到徹底解決。

圖5 優化方案二充型溫度場模擬分析

4 結論

基于Magma 鑄造仿真分析，采用“寬筋部位增加小澆道+觀察窗溢流冒口”的工藝方案，徹底解決了齒輪箱的加強筋和觀察孔氣孔缺陷，鑄件成品率由60%提升到91.4%以上。