SCT110T侧架与SCT110T摇枕（F-1449P(G)）铸造工艺设计与试制.docx

SeTlIoT侧架与SCTlloT摇枕(F1449P(G)铸造工艺设计与试制摘要：根据侧架零件的结构特点和技术要求，进行了铸造工艺设计。采用底注开放式浇注系统,在铸件热节处设置冒口进行补缩,并利用数值模拟软件对铸造工艺进行了模拟优化。采用优化的铸造工艺试制侧架铸件，成功获得合格的铸件产品。关键词：侧架铸件；铸造工艺设计；冒口设计；数值模拟SCT110T侧架是北美铁路联运货车车辆转向架的重要组成部分，其作用是把转向架的各个零部件联系在一起构成一个整体。侧架铸件需进行荧光磁粉探伤、超声波测厚、致密度、动静载荷等检测，检测结果应符合AARM201AAR铸钢件技术要求和AARM210联运货车侧架摇枕供货技术条件的要求。ISCmOT侧架的结构特点SCTIloT侧架属于薄壁箱体结构件，如图1所示，轮廓尺寸2286mmX427mmX644mm,产品净重438kg,最大壁厚35mm,最小壁厚14mm。其弹簧承台面位于侧架中心部位，最大壁厚32mm,最小壁厚19mm；轴箱导框位于侧架的两侧端头，由斜弦杆与弹簧承台面连接；侧架承载鞍支撑面处的壁厚由19mm过渡到32mm；立柱面处最大壁厚35mm,最小壁厚16mm。整个铸件壁厚不均匀，热节多且分散，易产生缩孔、缩松等铸造缺陷。图1侧架示意图Fig. 1 Schematicdiagramofsideframe2技术要求1.1 主要技术指标SCmOT侧架材质为b+级钢，其化学成分、力学性能及非金属夹杂物要求分别如表1、表2和表3所示。表1便!架铸件的化学成分要求Table 1 Chemicalcompositionrequirementsofsideframecastingw%CSiSPMnNiCrCuAl0.240.310.30-0.500.0300.0300.70-0.900.400.30-0.500.300.02-0.08表2侧架铸件的力学性能要求Table 2 Mechanicalpropertiesrequirementsofsideframecasting抗拉强度/MPa屈服强度/MPa伸长率/%断面收缩率/%冲击吸收功（-7r）j25502345N24236N20表3侧架镑件的非金属夹杂物要求Table3Nonne(allicinclusionsrequirementsoideramecasting夹杂物类别合格级利I野（球状）夹杂物IlV（点网状）夹杂物IIIM（点状>夹杂物IV型（群状讽化夹杂物细系I级-娥.相系I级I级2级细系I级-敏机系I级1级1.2 相关的检测及试验依据AARM201AAR铸钢件技术要求标准，SCTIlOT侧架关键部位需进行解剖检查，致密度应符合标准要求；侧架应采用整体磁化湿法连续法荧光磁粉探伤；每50件侧架应抽取1件进行超声波测厚检查；侧架还应通过动静载荷试验。3工艺设计1.3 铸造方法和生产条件SCmoT侧架采用两箱造型，一箱两件。采用HSJ75型连续式混砂机和有机酯硬化水玻璃砂造型和制芯；采用20tEBT偏心底电弧炉+2Ot1.F精炼炉熔炼合金，1.F炉白渣保持时间230min,钢液出炉温度15901610°C;采用GBHF-30-001型台车式热处理炉对铸件进行正火处理。1.4 铸造工艺1.4.1 砂芯设计如图2所示，侧架铸件工艺共设计7块砂芯，其中侧架滑槽部位由1#砂芯形成，在其芯盒中做出随型冷铁定位，便于安放冷铁；中央方框由2#砂芯形成，芯盒采用全脱落式结构，便于取芯，形成关键尺寸的部位采用镶块结构，便于调整；3#砂芯与2#砂芯相搭配，采用嵌入结构，便于砂芯定位；4#砂芯采用上、下片结构，充分利用工艺孔设置芯头，使砂芯定位准确，支撑牢固，减少芯撑的使用，避免芯撑造成的芯撑移位、芯撑融合不良、芯撑处裂纹等缺陷；5#砂芯设计减轻块结构；6#砂芯利用产品结构，上、下均设计芯头，确保砂芯定位准确；7#砂芯与4#砂芯采用搭接结构，减少芯撑的使用。图2侧架铸件组芯图Fig. 2 Sandcoreassemblingdiagramofsideframecasting3.2.2补缩系统设计依据侧架热节的位置设置冒口，在承载鞍支撑面处设置2个中87mm×120mm的发热冒口，在弹簧承台面处设置2个保温冒口，如图3a所示。为了加快铸件局部冷却速度，根据侧架铸件的结构特点，在侧架的关键部位、筋板相交处设置12块冷铁，如图3b所示。图3侧架铸件补缩系统设计Fig. 3 Designoffeedingsystemforsideframecasting323浇注系统设计采用20t底漏包浇注侧架铸件，包孔直径645mm,由式(1)计算出浇注时间t=14.3s.HNX阮(1)式中：G为钢液重量，kg；N为同时浇注的浇包个数，一般N=1.n为一个浇包内的包孔数；VG为钢液的质量流率，kg/So由公式V液=Ht计算出液面上升速度为23.6mms,大于20mms,符合设计要求，由此取包孔直径为45mm,直浇道选取为660mm；采用开放式浇注系统，各浇道的截面积比例取A直：A横：A内=1：1.35:1.5,设计横浇道1个，内浇道2个，开设在铸件底面立柱旋转止挡处，如图4所示。图4侧架铸件的铸造工艺简图Fig. 4 Castingprocessdiagramofsideframecasting3.2.4铸造工艺数值模拟及工艺优化采用AnyCasting软件对侧架的铸造工艺进行数值模拟和分析。首先采用UG建模软件分别对侧架的砂型、砂芯、浇冒系统、冷铁等进行实体建模，并分别导出ST1.文件1,再将导出的ST1.文件导入到AnyCaSting中的AnyPRE模块，设置实体格式，确定各个实体在模拟过程中的名称和作用。然后对模型进行网格划分，设置材料热物性参数和边界条件等2,其中B+级钢的液相线温度为1505C,固相线温度1415C，设置浇注温度为1565,充型速度16cms,铸型初始温度20。计算结果和分析如下。充型过程计算结果如图5所示。从图中可以看出，金属液由直浇道流入，从侧架中央方框处向两侧流动，液流平稳。当充型约33%时，液流到达侧架端头外的弯钩处，随后钢液逐步充满型腔。整个充型过程液流平稳。图5侧架铸件充型过程数值模拟结果(充型33%)Fig. 5 Numericalsimulationresultofmoldfillingprocessforsideframecasting(withthefillingrat100f33%)侧架铸件凝固过程数值模拟结果如图6所示。从图中可以看出，承载鞍支撑面、弹簧承台面处、中央方框立柱面处为铸件最后凝固的区域。铸造工艺设计时，侧架承载鞍支撑面、弹簧承台面处设置了冒口进行补缩，因此该两处区域均未见缩孔、缩松缺陷，但侧架中央方框立柱面处未设置冒口进行补缩，而此部位出现了较为明显的缩孔缺陷。侧架其他关键区域和受力部位均未出现明显的缩孔、缩松缺陷。图6侧架铸件凝固过程数值模拟结果Fig. 6 Numericalsimulatingresultofsolidificationprocessforsideframecasting根据铸件凝固过程数值模拟结果对铸造工艺进行优化,在侧架中央方框立柱面处增设保温冒口，如图7所示，再次对改进后的侧架铸造工艺进行模拟分析，结果表明，中央方框立柱面处未见缩孔和缩松缺陷，其他关键区域和受力部位也未见明显的缩孔、缩松缺陷。由此确定侧架铸件的最终补缩方案为：在承载鞍支撑面处设置发热冒口，在弹簧承台面处和中央方框立柱面处设置保温冒口。图7立柱面口Fig. 7 Risersalthepositionsofverticalcolumnsinsideframecasting4生产验证根据优化后的工艺，组织进行了小批量侧架铸件试制。经过质量检测，铸件的化学成分、力学性能、金相组织、非金属夹杂物均符合AARM201标准的相关要求。依据AARM201标准规定的解剖位置，如图8所示，对试制件进行解剖，经过对解剖面的检查，如图9所示,均未在解剖面上发现明显的缩孔、缩松缺陷，符合标准要求。*HNHtMM*SB(e)E-E和E-E'(f)F-FMF-F图9侧架铸件剖面图Fig.9Scct100alviewsofsideframecasting用(g)A2-A2WA2-A2'采用DC-2030B数字直读式超声波测厚仪对侧架进行壁厚检查，测厚之前铸件表面应无妨碍超声波检测的粘砂、氧化皮等附着层。检测探头采用频率为2MHz、晶片直径为13mm的平面探头和弧面探头，声速设置为5930ms,在同一测量点上作3次厚度测量，取其平均值作为测量结果。经检测，侧架的壁厚符合产品要求。试制件通过了标准转向架公司(StandardCarTruckCo.)的产品质量鉴定和北美铁路协会的认证；随机抽取了7件侧架由北美铁路协会进行静载荷以及疲劳试验，试验结果均合格。5结束语设计并优化了B+级钢SCTlIOT侧架的铸造工艺，采用酯硬化水玻璃砂造型和制芯，采用EBT偏心底电弧炉+1.F精炼炉熔炼合金液，成功试制出合格的侧架铸件。在其铸造工艺设计和实施过程中，采用底注开放式浇注系统，铸件充型平稳，显著减少了砂眼等铸造缺陷；砂芯之间采用搭接结构，减少了芯撑的使用，保证了铸件的内部质量。参考文献：骆宏文，张文昌，徐道兵，等.转K6摇枕铸造工艺模拟及优化J.铸造，2020,69(1)：69-73.2何若虚.铝硅合金减速器壳体砂型铸造工艺设计J.铸造，2020,69(7)：761-763.骆宏文，旷丹锋，张文昌，等.铸钢侧架铸造工艺设计及优化J.铸造，2020,69(7)：722-726.SCTIlOT摇枕(F-1449P(G)铸造工艺设计与试制SCT110T摇枕(F-1449P(G)是北美铁路联运货车车辆转向架关键承载部件之一，在运行过程中承受巨大的拉、压、冲击、弯曲等交变载荷作用。根据摇枕零件的结构特点和技术要求，进行了铸造工艺设计。采用侧面浇注和双向分流开放式浇注系统，在铸件热节处设置发热冒口进行补缩以及吹瓶喂丝炉外精炼等技术试制摇枕铸件，成功获得合格铸件产品。关键词：摇枕铸件；B+级钢；酯硬化水玻璃；热处理SCT110T摇枕(F1.449P(G)是北美铁路联运货车车辆转向架关键承载部件之一，在运行过程中承受巨大的拉、压、冲击、弯曲等交变载荷作用1。摇枕铸件质量的优劣直接关系到联运货车的行车安全，AARM201标准AAR铸钢件技术要求对摇枕铸件的低温冲击性能、动载性能和铸件质量的稳定性均有很高的要求2,关键受力部位不允许存在缩孔、缩松、裂纹等铸造缺陷，铸件应进行磁粉探伤、超声波探伤、超声波测厚、密实度解剖等检测，应进行并通过静载荷、疲劳试验，铸件质量应符合AARM210联运货车侧架摇枕供货技术条件、AARM201AAR铸钢件技术要求等相关标准的要求。ScTIloT摇枕在铁路货车用各型号摇枕中最具代表性，铸件结构复杂、壁厚不均匀，容易产生裂纹、缩孔、缩松等铸造缺陷；下心盘与摇枕一体铸出、底平面无漏水孔等结构特点，更加大了铸造工艺设计的难度。作者在充分消化技术条件、分析产品结构铸造工艺性的前提下，进行了铸造工艺设计，并运用数值模拟软件对铸造工艺进行了模拟分析，通过试制生产，得到了符合技术条件要求的铸件,为后续开发其他型号的摇枕积累了经验,提供了技术支持。ISCTIlOT摇枕(F1449P(G)的结构特点SCT110T摇枕(F-1449P(G)属于长大箱体结构，如图1所示。轮廓尺寸2438mmX483mm×449mm,最大壁厚38mm,最小壁厚16mm,重约680kg0摇枕上部中间位置有一下心盘，两侧各有一处旁承面，中部有8个拉杆孔，两侧面各有一处固定杠杆支点座，斜楔槽位于两侧的端头部位，内部由筋板连接；摇枕底平面处壁厚29mm,下心盘处壁厚32mm,连接底平面与下心盘的筋板壁厚由19mm过渡到36mm；斜楔槽凸台处的壁厚38mm,凸台立筋壁厚22mm,上平面处壁厚22mm；铸件壁厚不均匀，热节较多且分散，容易产生缩孔、缩松、裂纹等铸造缺陷。Sl展映示意期Fig1Schenuhcdiagramofbolster2技术要求依据AARM201AAR铸钢件技术要求标准，SCmOT摇枕(F-1449P(G)采用B+级钢(ZG25MnCrNi)制造，化学成分要求见表1,力学性能要求见表2,非金属夹杂物要求见表3。»1铳件的化学成分要求Table 1 ChemicalComPOSitiOnrequirement%ofbolstercastingwb°。CSiSPMhNiCrCuA）O24-O3I030-0.50«0030«00300.70090<040030-0.50COM）002008«2侑件的力学性能要求Table 2 Mechanicalpropertie%requirement*OfbOlStercasting抗护强度IMPaNlW强眼MPa伸KWa断面收描率冲儿吸收功（-7霓）/J*550»345>24»36420表3铸件的非金Jl夹杂物要求Table 3 Nonmetallicinclusion*requirement%incasting夹杂物类别舍脐慑别-1-（球状）夹杂物罩系I级-3微.M-I汲nP（点网状）夹杂物1级-2级P（点状）夹杂物憎系你-3境.用系1级IVM（状仪化二部）夹杂物I级3工艺设计3.1铸造方法和生产条件采用混砂机型号HSJ75型连续式混砂机和有机酯硬化水玻璃砂造型、制芯，造型工序水玻璃加入比例2%3%,有机酯加入比例10%15%,制芯工序水玻璃加入比例3%4%,有机醋力口入比例10%15%;采用20tEBT偏心底电弧炉+2Ot1.F精炼炉熔炼合金，1.F炉白渣保持时间23Omin,钢液出炉温度15901610°C;采用GBHF-30001型台车式热处理炉对铸件进行正火处理。3.2铸造工艺3.2.1浇注位置和分型面选择如图1所示，摇枕的弹簧承台面为加工基准，与弹簧承台面相连的圆弧面、摇枕底平面为关键受力部位，为保证其组织致密、减少砂眼、气孔等铸造缺陷，优先考虑将其置于铸件下部，同时考虑摇枕各关键尺寸进行样板检测的要求，简化造型过程和模板制造，最终选择摇枕下心盘朝上，以摇枕端头内腔中心为分型面。这样设计分型面，既保证了摇枕关键受力部位置于下箱,又可避免砂箱过高,便于针对摇枕下心盘等铸件厚大部位设置冒口进行补缩。3.2.2砂芯设计砂芯设计过程中遵循尽量减少分芯数量、减少铸件披缝、保证铸件内腔尺寸精度和铸件壁厚以及满足机器制芯的要求。如图2、图3所示，摇枕斜楔槽由1#砂芯形成，并在芯头处做出浇口侧、浇口对侧的标识，防止砂芯下反；中间部位由2#下腰芯、3#上腰芯形成，充分利用工艺孔、拉杆孔设置芯头，使砂芯定位准确，支撑牢固，以减少芯撑的使用，避免放置芯撑造成芯撑移位、芯撑融合不良、芯撑处裂纹等缺陷；固定杠杆支点座由3#芯整体带出，以保证安装面的平整；端头部位由4#端头下片芯、9#端头上片芯形成，4#芯与2#芯搭接，4#、9#砂芯做出定位圆柱，与3#芯进行组合；5#、6#芯为侧面补砂芯，7#芯为拉杆孔砂芯，中心销孔由8#芯整体形成，8#芯上下均做出芯头，以保证下芯精度。图2砂芯示意图Fig.2Schematicdiagiamofsandcore图3摇枕铸件组芯图Fig.3Sandcoreassemblingdiagramofbolstercasting3.2.3 补缩系统设计依据摇枕热节的位置设置冒口，采用模数法进行理论计算，分别在摇枕下心盘处和旁承面处设置4个中13OmmXI60mm的发热冒口，在斜楔台处设置4个保温明冒口，如图4a所示。为了加快铸件局部冷却速度，加强铸件顺序凝固条件，根据摇枕铸件的结构特点，在摇枕的关键部位、筋板相交处设置了30块随形冷铁，如图4b所示。（八）ICItMtffl*SI!l(b)Ittt冷帙求取由9B4建优传件扑鼻系统设计Fig4Tcfeeding>'McdesignfoebohtcCghnf3.2.4 浇注系统设计生产中采用20t底漏包浇注摇枕铸件，包孔直径45mm,由式(1)计算出浇注时间t=19.5s1,N×n×Vt,式中：G为钢液重量，kg：N为同时浇注的浇包个数，一般N=1.n为一个浇包内的包孔数；VG为钢液的质量流率，kgso由式V液=Ht计算出液面上升速度为23mms,大于20mms,符合设计要求，由此取包孔直径为中45mm,直浇道选取为60mm,开放式浇注系统浇道截面积比例取A直：A横：A内=4：1.5：1.7,设计横浇道1个，内浇道2个，开设在铸件侧面，如图5所示。图5铸造工艺简图Fig.5Castingprocessdrawing3.2.5 铸造工艺数值模拟结果及分析运用华铸CAE软件对摇枕的铸造工艺进行数值模拟和分析，首先对摇枕铸件和铸型几何实体进行网格划分，设置材料热物性参数和边界条件等，ZG25MnCrNi液相线温度1505,固相线温度1415°C4),浇注温度1568,计算结果和分析如下。充型过程计算结果如图6所示。从图中可以看出，金属液由直浇道流入，从摇枕两侧向底平面汇聚，充型约25%时，液流开始交汇，此时金属液的液面不平稳，存在一定的飞溅，之后液面趋于稳定，充型约37.5%时，金属液充满摇枕弹簧承台面，此时金属液面稳定并平稳地充满型腔，最终充型时间20.8so通过对摇枕铸件充型过程的数值模拟结果分析，说明浇注系统设计是可行的。（八）充型25%(b)充利37.5%图6摇枕铸件充型过程数值模拟结果Fig.6Numericalsiuulatiouresultsofmoldllingprocessofbolstercasting摇枕铸件凝固过程数值模拟结果如图7所示。从图中可以看出，铸件下心盘部位、旁承面部位、斜楔槽部位为铸件最后凝固的区域，铸造工艺设计时在以上部位均设置了冒口进行补缩，关键区域、受力部位均未出现明显的缩孔、缩松缺陷。图7摇枕铸件凝固过程数值模拟结果Fig.7Niuiieiicalsimulatingresultofsolidificationprocessofbolstercasting3.3 熔炼及浇注工艺采用矿石、氧气结合法进行氧化，氧化顺序先磷后碳，温度控制先低后高，氧化期温度控制在15801600°C;造渣时先大渣量脱磷，后薄渣层脱碳；加矿温度1560C,分批加入。精炼过程中，分批多次加入复合脱氧剂进行还原，保证精炼熔渣为脱氧良好的白渣，精炼结束后，进行喂丝、吹氮操作，吹瓶时间不小于Imin,钢液镇静时间不小于5min。铸件浇注温度1560-1585C;浇注时塞杆要稳开轻闭，严防用力过猛使塞头受损；浇注开始后马上在铸型分型面处引火，疏导出型腔内气流；浇注时遵循钢液流量“始小再大终小”的原则。3.4 热处理工艺采用12点控温、12点测温，测温和控温均至少取其中六点参与热处理温度曲线记录，热电偶应分别布置在炉膛侧墙、炉膛顶部、炉膛后墙；正火热处理升温速度W200Ch,在预热温度640660C范围内，保温Ih,在正火温度900920°C范围内，保温34h,空冷。4生产验证组织进行了小批量摇枕铸件试制，经对摇枕铸件质量检测，铸件化学成分、力学性能、金相组织、非金属夹杂物均符合AARM201标准的相关要求。依据AARM201标准规定的解剖位置，如图8所示，对试制件进行解剖，经过对解剖面的检查，如图9所示，剖切面均未发现明显的缩孔、缩松缺陷，符合标准要求。图8摇枕铸件解剖位置Fig.8Dissectionpositionofbolstercasting(f)DD(DMy)(B)EE(EE)（三）F-F(F4p)»9宸沈优件例面图FIB9Disyctedboltec%tng采用CTS-9006Plus超声波探伤仪，探头规格5P14FG20,探伤灵敏度设置为YC型试块上第4号平底孔反射波调为荧光屏满刻度的50%高度，增益16dB,对摇枕进行超声波探伤检查，超探结果符合标准要求；采用DC-2030B数字直读式超声波测厚仪，探头采用频率为2MHz、晶片直径为13mm的平面探头和弧面探头，声速设置为5930ms,对摇枕进行测厚检查，壁厚符合产品图的要求。试制件通过了“标准转向架公司(StandardCarTrUCkCo.)”产品质量鉴定和美国铁路协会的认证；随机抽取了6件摇枕进行静我荷、疲劳试验，试验结果合格。5结论采用有机酯水玻璃砂组芯造型工艺和电弧炉熔炼+1.F精炼炉精炼工艺成功试制了内外部质量满足铸件技术条件的摇枕铸件产品，以下工艺措施在保证铸件质量方面起到了关键作用。(I)相较于传统的摇枕端头侧浇注工艺，采用侧面浇注工艺和双向分流开放式浇注系统，摇枕铸件砂眼、缩孔、缩松等铸造缺陷明显减少，冷铁使用量也明显降低。(2)采用发热冒口对铸件热节处进行补缩，补缩效果好，铸件工艺出品率高。(3)采用吹氧喂丝炉外精炼工艺可以获得优质钢液。(4)在砂芯中设计排气道并连通至芯头，并在浇注过程中采用分型面处“引火”操作，摇枕铸件充型过程中型内气体可顺利排出。参考文献：骆宏文，张文昌，徐道兵，等.转K6摇枕铸造工艺模拟及优化J.铸造，2020,69(1)：69-73.卫东海，李克锐，李增利，等.轨道交通用低温高韧性球墨铸铁件制造技术研究J.铸造，2020,69(4)：342-348.何若虚.铝硅合金减速器壳体砂型铸造工艺设计J.铸造，2020,69(7)：761-763.骆宏文，旷丹锋，张文昌，等.铸钢侧架铸造工艺设计及优化J.铸造，2020,69(7)：722-726.