轴箱体铸钢件铸造工艺的改进

轴箱体铸钢件铸造工艺的改进

张金佳 ,钱福开 ,张中军

山东莒州金属材料有限责任公司 

摘要：针对机车轴箱体生产过程中存在型砂脱落、缩松、砂眼、加工余量不足等问题，对缺陷原因进行分析。认为采用砂芯预留孔内嵌钉加固、使用焊条折成芯骨加强砂芯强度可改善型砂脱落；通过调整冒口补缩距离、加强型腔清洁可减少缩松；加强清理型腔并加大加工余量减少砂眼缺陷；减小砂芯尺寸、加强定位精度可有效保证加工余量。采用改进后的工艺进行生产验证，获得合格铸件。

关键词：轴箱体;铸造缺陷;工艺改进;

随着机车时速与承载量的不断提高,对机车转向架铸钢件尤其是受力部件提出了更高的要求。地铁车辆轴箱体属于薄壁箱体类结构铸件,同时作为轴箱装配的重要受力部件。在前期生产加工过程中出现缩松、砂眼、裂纹,砂芯在合箱浇注过程中出现歪倒,加工时有黑皮等缺陷,这些缺陷的产生与轴箱体的铸造工艺有重要关系,因此有必要对轴箱体工艺进行分析与调整。

1 铸件结构及生产要求

轴箱体产品结构见图1,铸件材质为ZG25Mn Cr NiMo(C级钢),主要壁厚为20～30 mm,铸件毛坯重量为95 kg,铸件线收缩取2%,造型和砂芯使用CO2硬化水玻璃砂,一箱两件,熔炼采用10 t电弧炉,底注式浇注,浇注温度控制在1 560～1 580℃。设计要求铸件表面整体做磁粉探伤,按照机车装配件要求,轴箱体所有加工面及主要受力部位不允许存在缩松、裂纹缺陷,铸件按批次进行超声波检查。

图1 轴箱体产品结构示意图 

2 原工艺方案及存在问题

2.1 原铸造工艺介绍

图2轴箱体铸造工艺方案的三维模型,轴箱沿轴筒中间分型,大轴筒内设有腰形随型补贴保证轴筒顺序凝固及补缩;小轴筒与轴箱筋板连接部位存在热节,但模数及半径较小,在顶部靠近连接部位设置半圆形暗冒口保证内部质量;大轴筒下箱及弹簧盘面需设16 mm厚冷铁板加强激冷效果,铸件内浇道选在中心筋板位置。原工艺方案在大方向上保证了铸件加工面及主要受力部位的质量,但是在批量生产过程中,缺陷主要存在于大轴筒,内浇道及弹簧盘等部位,同时,出现了型砂脱落及加工量不均匀的问题。

图2 轴箱体铸造工艺方案

2.2 存在问题

轴箱体生产过程中主要存在下列问题:

(1)轴箱体造型过程中大小轴筒连接筋板上出现型砂脱落造成的缺陷,脱落的型砂被钢液包裹在内无法处理导致小批量废品,同样问题也存在于耳部潮吊砂芯处。

(2)大轴筒内出现一定比例的砂眼、缩松缺陷,粗加工后需要焊补,增加生产成本,影响产品质量。

(3)弹簧盘面砂芯在合箱浇注过程中出现歪斜,导致弹簧盘加工余量不均匀。

(4)铸件内浇道位置有缩裂纹缺陷,清铲需要抠焊。

3 原因分析及工艺改进

3.1 型砂脱落

型砂脱落形成的原因可能有:型砂强度低,粘结能力差,混合不均匀;箱带少或无箱挡;上箱型面或吊砂部位未用吊钩,铁钉加固强度不够;造型时舂实度不够,紧实不均匀或者部分漏舂;型腔深度过深,合箱不稳导致磕碰;合箱后拨销眼找正或夹具紧固过程中敲打震动。

轴箱体外型为CO2硬化水玻璃砂,两处型砂脱落的情况为:轴筒耳部砂芯为造型打胶潮吊,在周转吊运过程中会出现磕碰,粘芯膏未达到要求强度都会导致此处型砂脱落,在解决问题和满足生产的前提下采用在制芯时砂芯中心预留孔,潮吊砂芯后从预留孔内嵌钉加固;大小轴筒连接筋板腔内高度为50 mm,深度相对较深,造型时采用震实台震实后此位置砂型强度不足,浇注过程中受钢液冲刷造成型砂脱落,造型时用焊条折成芯骨,通过芯骨加强此部位的砂芯强度。

3.2 大轴筒内缩松和砂眼

大轴筒内主要缺陷是缩松和砂眼。

加工出现砂眼的原因为操作不仔细,清理型腔不干净造成轴筒内砂眼缺陷,因圆筒内壁为加工面,砂眼加工后可大部分去除,为此,通过加大此部位加工量有效解决砂眼缺陷。

缩松为铸件在凝固过程中得不到钢液补缩,不能实现顺序凝固造成的空洞缺陷或者组织疏松,大圆筒壁厚加工前为25 mm,补缩末端区距离约为65 mm,冒口区约为50 mm,垂直方向补缩距离为115 mm,轴筒高245 mm,要实现顺序凝固充分补缩,需要补贴深度值为130 mm,铸件两保温冒口间距为120 mm,两冒口间补缩距离为100 mm。综上大轴筒产生缩松缺陷的原因是冒口间补缩距离不足,钢液浇注温度不易控制而产生缩松缺陷。暂定改进方案为将原2个腰圆保温冒口换为3个圆形保温发热冒口,冒口间距离缩小到90 mm,理论上可以实现良好补缩效果,同时不影响铸件工艺出品率。

3.3 弹簧盘加工余量不足

造成弹簧盘加工量不足的原因为原生产中弹簧盘位置砂芯为圆盘砂芯带下芯头,芯盒芯头位置与芯座起模斜度存在误差,木模具在生产使用过程中变形导致下芯后芯头与芯座间隙过大,合箱时砂芯前倾,浇注后毛坯弹簧盘面加工余量不均匀,上半部分加工余量不足需要焊修处理。下芯头定位效果不好,将下芯头方案调整为左右两侧芯头,芯头尺寸减小,调整后的芯头与芯座更好的配合,定位效果优于前者。

3.4 内浇道缩松与裂纹

轴箱体内浇道尺寸为40/35 mm×H,其中H为内浇道截面高度,高度尺寸从横浇道过渡至铸件筋板位置为15 mm,内浇道处的筋板厚度为7.5 mm,存在厚度差,铸件筋板将先于内浇道凝固,对接触位置产生拉应力,在铸件凝固时会出现裂纹。

此部位由于结构限制,要解决缩松需让内浇道与铸件筋板厚度趋于均匀,内浇道需要做开放式浇注系统,内浇道做成扁平形,但钢液具有熔点高,流动性差的特点,改成扁平形结构后浇注过程钢液浇注温度控制不好可能出现浇不足的情况。

工艺考虑调整内浇道位置,将内浇道调整至左侧槽口处,槽口位置为加工面,厚度在25 mm,内浇道选择在此处更为合理,即使出现裂纹或者其他缺陷加工也能消除。

4 新工艺现场生产控制

综合上述改进措施,设计新铸造工艺,工艺简,新的铸造工艺通过模拟,结果与分析相符。制作模具进行试生产,生产中加强对造型环节控制。生产时按工艺卡片规定放置冷铁、浇口棒、保温冒口套等,冷铁不得歪斜或垫砂,芯骨至模具壁间的吃砂量应控制在15～50 mm(或超过此吃砂量),起型应平稳,砂型、砂芯各部分的紧实度应均匀,其紧实度须符合工艺卡片规定,无工艺卡片的紧实度应控制在45单位以上,型芯刷涂料时应做到深度合适、不堆积、无流痕,厚度均匀平整。吊芯前,必须把砂型型腔清理干净。冷铁周围的虚砂气眼孔周围要刮平、吹净,出气孔应畅通,型腔中的加氧孔要用型砂堵好修平。砂芯表面必须清理干净,飞边、毛刺应修平,锐棱应倒圆。

采用改进后的工艺方案生产10件样件,铸件清理打磨后进行外观检查,改进后的铸件无掉砂缺陷存在;进行尺寸划线检查,铸件各主检尺寸良好,弹簧盘位置加工余量7 mm且厚度均匀;清理干净后对轴筒进行超声波检查,所有铸件内部均未发现缩松缺陷,外部夹杂、砂眼明显降低;对内浇道位置进行磁粉探伤,无裂纹等表面缺陷,探伤合格。对首批铸件进行逐个检查、探伤,全部合格,验证了原因分析的合理性及改进措施的可行性。

参考文献
[1]李庆春主编. 铸件形成理论基础 [M].机械工业出版社,1982.

[2]中国机械工程学会铸造分会. 铸造手册 [M].机械工业出版社,2002.