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 劉峻嶺  凌云飛  田季林  王晶  張復(fù)興

（1．齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司；2．武漢市機(jī)械工藝研究所有限公司）

摘要  分析了新型重載鐵路貨車搖枕的結(jié)構(gòu)特點和工藝設(shè)計要點，根據(jù)現(xiàn)有生產(chǎn)條件制定了生產(chǎn)工藝，并應(yīng)用華鑄CAE軟件對搖枕充型和凝固過程的流場、溫度場進(jìn)行了模擬分析，預(yù)測了鑄造搖枕縮孔、縮松缺陷，優(yōu)化了鑄件鑄造工藝，實現(xiàn)了工藝完整性，使搖枕一次試制成功，縮短了試制周期。

關(guān)鍵詞搖枕；鑄造工藝；數(shù)值模擬

 搖枕是鐵路貨車最為關(guān)鍵的受力部件，其制造品質(zhì)對鐵路貨車的正常運行和行車安全起著重要作用，為此在搖枕生產(chǎn)過程中采用鑄造數(shù)值模擬技術(shù)，可以根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化鑄造工藝，在保障鑄件品質(zhì)、縮短制造周期的前提下，獲得最優(yōu)的鑄造工藝方案。

1  產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點

搖枕外形尺寸為2 480 mm×550 mm×440 mm，壁厚為17～40 mm，凈質(zhì)量為(760±16) kg，壁厚不均勻，內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜（見圖1）。搖枕總長接近2.5 m，增加了翹曲傾向性，同時線收縮不易控制，關(guān)鍵的軸距尺寸參數(shù)不易確定。

 為滿足承重要求，在內(nèi)腔設(shè)置了多道拉筋，且拉筋上設(shè)置了8個工藝孔。該產(chǎn)品中心圓盤處壁厚超過臨近壁厚，達(dá)到了35 mm，且與側(cè)壁及內(nèi)腔拉筋相連，在該處存在分散熱節(jié)。

2產(chǎn)品鑄造工藝方案

 采用酯硬化水玻璃砂造型，水平分型，平作平澆，材質(zhì)為AAR M201 B+級鋼，根據(jù)材質(zhì)及不同的部位結(jié)構(gòu)特點，鑄造收縮率在1.7%～2．o%之間選取。因為鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，熱節(jié)分散，采用整體同時凝固結(jié)合局部順序凝固的工藝方案，可實現(xiàn)鑄件整體同時凝固，冒口部位順序凝固。

由于鑄件心盤部位壁厚超出臨界壁厚，且存在分散熱節(jié)，因此在該處設(shè)置4個明冒口，其他熱節(jié)部位同時設(shè)置相應(yīng)冒口進(jìn)行補縮。為避免斜楔部位的下托板成型不良，設(shè)置相應(yīng)排氣針。采用開放式澆注系統(tǒng)，鋼水由兩端同時引入，實現(xiàn)鋼水平穩(wěn)、快速充型。鋼水采用漏包澆注，經(jīng)澆口杯注入直澆道，過橋跨度（澆口距）為2 560 mm（見圖2）。

3采用數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行工藝驗證

3.1三維實體建模及網(wǎng)格劃分

  采用P，o/E三維設(shè)計軟件構(gòu)建實體模型，首先構(gòu)建產(chǎn)品模型，其后在產(chǎn)品模型的基礎(chǔ)上加入工藝設(shè)計的參數(shù)，增加澆注系統(tǒng)、冒口、排氣針、加工量等，構(gòu)成鑄造三維模型（見圖3）。

3.2網(wǎng)格剖分

采用華鑄CAE軟件進(jìn)行網(wǎng)格剖分，為了保證計算精度和計算速度，對鑄件、澆注系統(tǒng)、冒口等采用相同的網(wǎng)格尺寸(7 mm)，剖分結(jié)果見圖4。

3.3工藝參數(shù)設(shè)定

 在軟件數(shù)據(jù)庫中選取與AAR M201 B+級鋼材質(zhì)極為相近的鋼種，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）為：0.28%～0.32%的C,0.7%～0.9%的Mn,0.20%～0. 35%的Si，P、S含量為0.04%，其余為Fe。

 鑄型溫度設(shè)置為20。C，澆注溫度為1 580℃，澆注時間設(shè)定為30～35 s。

3.4  澆注過程的流場模擬

流場可以看到充填過程中金屬液的溫度變化，以及充型過程中產(chǎn)生的缺陷。圖5為搖枕澆注過程中的流場模擬。從模擬結(jié)果可以看出，充型約25%時，兩側(cè)鋼水開始交匯，此時液面處于不平穩(wěn)狀態(tài)。隨著充型過程的進(jìn)行，在重力和粘性力的控制下充型逐漸趨于穩(wěn)定，充型接近50%時，液面穩(wěn)定，充型平穩(wěn)。

3.5凝固次序與色溫模擬

圖6是鑄件的凝固次序模擬圖�？梢钥闯�，搖枕心盤和旁承部位因為與內(nèi)腔的拉筋和側(cè)壁交接，因此存在較大的熱節(jié)，凝固時間較晚，此兩處設(shè)置冒口，有效實現(xiàn)了對該區(qū)域的補縮，降低了鑄件的縮松傾向。

圖7是鑄件的色溫模擬圖。通過對搖枕凝固過程的模擬，可以觀察到不同的凝固時間及鑄件各個部位的溫度差異。搖枕的心盤部位和旁承部位，屬于最后凝固的區(qū)域，此區(qū)域相應(yīng)設(shè)置了冒口補縮，證明工藝設(shè)計的合理性。但搖枕心盤下面的側(cè)墻和內(nèi)腔拉筋的根部凝固時間相對較長，易產(chǎn)生鑄造缺陷，因此應(yīng)在這些部位增設(shè)冷鐵，提高過冷度，有利于鑄件的凝固和收縮。

3.6定量縮孔模擬分析

圖8是定量縮孔分析結(jié)果�？梢钥闯�，心盤4個冒口根部縮孔和縮松傾向很大，旁承部位冒口根部的縮孔和縮松不影響鑄件母體，內(nèi)腔拉筋的根部存在縮孔和縮松，斜楔部位的排氣針根部以及內(nèi)澆道的根部存在縮孔和縮孔。

4  工藝改進(jìn)

 通過對搖枕充型和凝固過程的模擬可知，在初始工藝設(shè)計條件下，兩端鋼水在交匯時，充型不穩(wěn)，該部位易產(chǎn)生鑄造缺陷口，可以采取以下幾項措施加以改進(jìn)：①增加心盤部位冒口尺寸，進(jìn)一步提高冒口的補縮能力，可以保證縮孔和縮松不侵害鑄件本體；②增加斜楔部位排氣針尺寸，消除排氣針根部縮松；③在搖枕側(cè)壁根部以及內(nèi)腔拉筋根部增設(shè)冷鐵，提高鑄型激冷能力；④在內(nèi)澆道根部增設(shè)暗冒口，提高澆注系統(tǒng)補縮能力，消除內(nèi)澆道根部的縮松缺陷。

5  試驗驗證

 通過20余件小批量生產(chǎn)驗證，該型搖枕的力學(xué)性能、疲勞試驗次數(shù)、靜載荷指數(shù)均達(dá)到技術(shù)要求，對關(guān)鍵區(qū)進(jìn)行實物解剖分析，發(fā)現(xiàn)鑄件致密度良好，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。