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浅谈机车电机盖的铸造工艺优化途径

作者:吕柏道

  摘  要:电机盖是机车的重要组成部件之一,其铸造工艺比较复杂。进一步优化电机盖的铸造工艺能提高电机盖的使用性能,延长机车的使用周期。该文主要针对机车电机盖轴承孔的缩松问题进行了研究,详细分析了如何应用熔炼工艺、冷铁冒口工艺等,优化电机盖的铸造工艺,消除缩松缺陷。

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  关键词:机车电机盖  铸造工艺  优化途径
  中图分类号:U260.6                                文献标识码:A                         文章编号:1672-3791(2019)03(c)-0068-02
  近年来,随着机车电机性能的逐渐提高,电机盖的铸造精度越来越高。传统的铸造工艺问题也容易凸显出来。为了提高机车电机盖的使用性能,研究人员只有加大其铸造工艺的研究,积极采用新工艺、新方法,优化电机盖的铸造工艺,消除传统电机盖铸造工艺的弊端。
  1  传统铸造工艺问题
  该文选择了某一机车的电机盖作为研究对象。该电机盖的外形尺寸为607mm×610mm×195mm,平均壁厚达9mm。依据壁厚标准,该电机盖属于薄壁铸件。另外,其模数为1.4cm,材质是球铁铸件,质量为72kg,全表面磁粉探伤、超声波检测均不超过相关规定的三级。
  该电机盖主要是采用顶注式浇注方式,使铸件处于下型中。这样做的主要目的是消除自浇注不足、冷隔等缺陷。而且,采用下型還能避免合箱引起的夹砂缺陷。在这一铸造工艺中,砂芯也处于下型。砂芯的定位主要是利用通风口拉出芯头、中间轴孔出的冷铁砂芯头。总之,该浇筑系统具有充型平稳、挡渣的特点,能有效保证铁液品质及电机盖铸造质量。

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  该文选择了某一机车的电机盖作为研究对象。该电机盖的外形尺寸为607mm×610mm×195mm,平均壁厚达9mm。依据壁厚标准,该电机盖属于薄壁铸件。另外,其模数为1.4cm,材质是球铁铸件,质量为72kg,全表面磁粉探伤、超声波检测均不超过相关规定的三级。
  该电机盖主要是采用顶注式浇注方式,使铸件处于下型中。这样做的主要目的是消除自浇注不足、冷隔等缺陷。而且,采用下型還能避免合箱引起的夹砂缺陷。在这一铸造工艺中,砂芯也处于下型。砂芯的定位主要是利用通风口拉出芯头、中间轴孔出的冷铁砂芯头。总之,该浇筑系统具有充型平稳、挡渣的特点,能有效保证铁液品质及电机盖铸造质量。
  另外,该铸造工对轴承孔厚大部分的主要处理方法是采用冒口和冷铁的施工工艺。具体是将该处的砂芯换成铁芯,从而加快其厚大部分的凝固。并在该处增加工艺补贴,便于防止发热冒口。同时,还在大平面上、通风口部位分别设置了两个发热冒口、侧冒口,以达到消除缩孔缺陷的目的。
  除上述外,该铸造工艺使用了高强度呋喃树脂自硬砂造型及制芯,且采用了专用醇基涂料。在熔炼过程中,将其熔炼温度控制在1530℃~1570℃之间,出炉温度在1510℃左右,误差范围在10℃以内,浇注温度为(1390±10)℃,浇注时间为(13±1)s。同时,将其中的碳元素、硅元素、锰元素、镁元素的含量比分别控制在3.7、2.2、0.1、0.03左右。

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  实践证明,虽然采用了一系列的预防措施。但是采用传统铸造工艺后,铸件仍出现了局部位置缩松超标的问题。其中缩松最为严重的部位是轴承孔冒口下处,其次是内浇道的耳朵部位。
  2  问题分析
  首先,铸件的工艺实施多是由机械完成,不存在实施缺陷。其次,从铸件熔炼过程考虑。该电机盖的铁液熔炼温度、出炉温度、浇注温度等均处于标准范围内。显然,熔炼过程并无差错。再者,从其中化学元素的占比考虑。在对铸件的化学成分、石墨检测过后发现其出碳量在4.48%时,也就是在标准范围内时,铸件的缩松缺陷比较少,且铸件球化效果也非常好。显然,这也并非是化学成分造成的铸件缩松。最后,从冷铁、冒口的设计方面考虑。上文中已经描述出了其设计、摆放情况。对此,我们可利用代数计算软件Magmasoft对其凝固过程进行模拟、分析。这样可直观、形象地观察到铸件各部位的残余液情况,并对其进行分析。经过实际模拟发现,经过一段时间后,铸件的壁薄部位残余液相消失最快,但轴承孔、冒口根部仍存在残余液液相。随后,又经过一段时间后,冒口颈完全凝固堵塞了冒口、铸件的补所通道。至此,可认为轴承孔冒口下处出现的缩松缺陷主要是因为:冒口在金属液液态收缩时,会补充部分金属液。在共晶膨胀结束前,冒口无法截断补所通道,就会造成金属液回填现象。而轴承孔的厚大部位的凝固在工艺补贴之后,这就会造成厚大部位不能补缩的现象,进而产生缩松缺陷。内浇道耳朵部位的缩松则是因为铸件凝固时,侧冒口会补缩与其相接的横浇道。
  3  工艺优化
  从上述文中能够得知造成轴承孔冒口下处出现缩松缺陷的主要原因是冷铁+冒口处理工艺存在冷铁、冒口设计、摆放不合理的问题。那么,若要优化铸造工艺,消除缩松缺陷,就可从这一方面入手。
  首先,可优化冒口设计。如在轴承孔放冒口处增加斜锲形状的冒口颈,并增加该冒口颈高度。这样做的主要目的是为了在铁液共晶膨胀时,加快冒口颈凝固,从而使回填通道的铁液被截断。冒口本身就属于铸件的补充部分,具有补缩作用。毕竟铸件在冷却时,最薄的部位会先凝固,其收缩补偿可由厚大部位提供,而厚大部位凝固时若得不到收缩补偿就会形成缩孔。但如果采用较高的斜锲形状的冒口颈,就可使铸件的厚大部位得到收缩补偿,进而消除缩松缺陷。所以,该文采用了这一优化方式,优化冒口设计。
  其次,一般情况下,为了保证铸件能够顺序凝固,会选择内浇道靠近冒口的方式进行浇筑。那么,在逐渐凝固时,通风口处的侧冒口就会补缩相接的横浇道,那么内浇道的耳朵部位凝固就会无法得到补缩,形成缩松缺陷。对于这一问题,可采用去除内浇道耳朵部位的侧冒口,并放置5/8的发热冒口。同时,将其中的两个内浇道合并为一个内浇道。这样当内浇道的耳朵部位凝固时,5/8的发热冒口会对自动进行补缩。而且两个内浇道合并为一个内浇道后,不再需要考虑横浇道问题。可以说,该设计结构更加精简、有效。
  最后,需要注意的是在优化冒口的设计。摆放时,简化内浇道结构时,必须考虑电机盖的实际尺寸。毕竟其冒口厚大部位的壁厚并非是平均壁厚。尤其是其内浇道的直径、壁厚规格,会影响到电机盖铸件的使用性能。在合并、优化内浇道与发热冒口时,更需要合理选择结构参数。只有这样才能进一步提高电机盖的铸造工艺优化质量。
  4  优化效果
  在完成基本的电机盖铸造工艺优化后,还需进行模拟、分析,了解最终的铸造工艺优化效果。同样,还可利用代数计算软件Magmasoft。这是由德国研发的一种铸件过程模拟软件,也是目前最为流行的铸件仿真软件。它能够对铸件过程中的充型、凝固、冷却、热处理等进行详细的模拟,并将其过程形象化地展示出来。在检测该铸造工艺优化成果时,主要就是应用该软件对铸件过程中的凝固进行模拟,通过观察不同凝固时间点的铸件各部位液相分数来判断其凝固结果。通常是选择开始凝固时间、完全凝固时间两个时间节点进行对比、分析。同时,依据疏松判据,即缩孔与液相分数的关系图来判断逐渐各部位的缩孔情况。
  其具体模拟分析过程为:利用Magmasoft软件模拟后,发现斜锲形状冒口颈的开始凝固时间为105s。冒口的完全凝固时间为170s。随后,应用疏松判据分析,发现铸件轴承孔的冒口下处、内浇道的耳朵部位并没有出现时缩松现象,且其他部位也并未出现缩松现象。这就表明:经过工艺优化后,电机盖铸件的缩松缺陷被有效消除了。也就是说,可将该工艺优化方法应用到实际生产中,进行检测,确认其是否有利用价值。
  5  结语
  综上所述,在科学技术不断发展的背景下,只有加大机车电机盖铸造工艺的优化研究,才能解决传统电机盖铸造工艺的缺陷,提高机车电机盖的成品率,推动我国铸造行业的创新与发展。
  参考文献
  [1] 胡郑重,郭玉峰,姚三九,等.机车电机水冷端盖铝外套铸造工艺设计及优化[J].特种铸造及有色合金,2017,37(6):602-605.
  [2] 孙亚肖,查明晖,魏冬冬.机车电机盖的铸造工艺优化[J].铸造技术,2017,38(2):456-458.
  [3] 周志强,李颉.机车牵引电机铸造传动端端盖裂纹缺陷分析与工艺改进[J].铸造设备与工艺,2018,212(5):21-23.

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