复杂薄壁低温球铁齿轮箱体铸造工艺讲解_工艺玩具_资讯

复杂薄壁低温球铁齿轮箱体铸造工艺讲解

2023-08-07 20:58 浏览:23

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摘要

针对一种复杂薄壁低温球铁齿轮箱体进行了技术要求及结构分析，并对其熔炼工艺和铸造工艺进行了研究。基于MAGMA分析软件对其液态成形过程流动场、凝固场进行CAE分析，成功完成了其铸造工艺开发。

伴随着中国轨道交通装备的快速发展，我国在高铁、地铁、轻轨、单轨等整车车辆制造水平都走在了世界的前列。齿轮驱动装置作为轨道交通车辆转向架最为核心的零部件之一，其在车辆高速运行过程中，负责实现电机与动力轮对之间的动力传递。对于运输距离长、区域跨度大的高速列车，不仅需要在结构设计上满足高集成化、轻量化，更需要满足箱体低温运行环境下的可靠性和安全性，最低使用环境温度≤-40 ℃。本文研究了一种复杂薄壁低温球铁箱体的铸造工艺，并成功完成了样件生产，满足了其技术要求。

1　产品技术要求及结构分析

试验箱体材料牌号选取QT400-18L，力学性能要求见表1。通过单铸试样进行检验验收，石墨球化率不低于ISO945中规定的85%，石墨大小为5级以上。箱体三维图见图1，箱体轮廓尺寸1100mm×850mm×400mm，铸件重256 kg，主体壁厚仅10mm，箱体外表面设计众多10 mm加强筋。轮廓尺寸大，重量大，浇注系统流程长，浇注时间长，壁薄区域容易出现冷隔、冷豆、气孔、夹渣缺陷，壁厚区域易出现石墨漂浮、球化衰退等组织异常。

表1　材料力学性能要求

图1　箱体三维图

2　熔炼工艺

炉料以生铁、废钢、回炉料为主，采用中频感应电炉进行熔炼，原铁液目标成分为：3.7%~4.0% C、0.7%~0.9% Si、Mn＜0.25%、P＜0.05%、S＜0.04%。根据料单称取炉料；向中频感应电炉中加入生铁、废钢及回炉料启炉熔炼，熔清后，取炉前试样，检测C、Si、Mn、P、S含量，根据结果调整炉内铁液中各元素的含量；当炉内温度升到1520~1550 ℃，准备出炉进入球化、孕育工序；浇注温度取1400~1420℃。

2.1　原材料准备

（1）生铁。选用抚顺罕王生铁，化学成分为：4.37%C、0.66%Si、0.07%Mn、0.025%P、0.019%S。生铁中S元素应尽可能低，应低于0.04%，避免其在球化过程中与镁、稀土元素反应生成镁或稀土的硫化物，不仅可减少球化合金的浪费，减少球化衰退速度，而且减少夹渣、皮下气孔等缺陷的生成。P元素应尽可能低，保证在0.05%以下，以避免磷共晶，特别是三元或符合磷共晶的析出，材料脆性转变温度的提高。

（2）废钢。废钢用于调整原铁液的碳、硅量并改变生铁遗传性；废钢不应含有反球化元素以及产生偏析和碳化物的合金元素；废钢表面不应有油污、锈蚀等。

（3）回炉料。优先选用同牌号的回炉料，且使用前需对回炉料进行强力抛丸处理，以防止回炉料带入硅、硫等，形成夹渣物。不得采用灰铁回炉料，以防止硫、磷过高。

2.2　球化工艺

采用冲入法球化工艺，凹坑式处理包形式，一次在凹坑内加入球化剂、孕育剂、覆盖剂及压板。使铁液盖过球化剂一定高度后，球化剂才开始与铁液进行球化反应，增加了球化剂与铁液反应的均匀性，提高了球化剂的吸收率。采用稀土镁球化剂，加入比例为1.1%~1.3%，成分（质量分数）为：40%~50% Si、5.5%~7.5%Mg、1.5%~2.5%RE、2.5%~3.0%Ca，其余为Fe，保留了稀土和镁两种球化元素的优点，稀土和镁起到了相辅相成的作用，由于稀土的净化和抗干扰作用，较低的残余镁量，就可获得圆整度较佳的球形石墨。

2.3　孕育工艺

采用三次孕育法，多元素复合孕育剂，孕育剂成分（质量分数）为：70%~75%Si、1%~1.5%Ca、Al≤1%，其余为Fe。在球化剂上放入出炉铁液质量的0.4%~0.6%的孕育剂，进行一次孕育；球化反应结束后立即将球化包内铁液转至浇注包，倒包过程中向铁液中加入出炉铁液质量的0.4%~0.6%的孕育剂，进行二次孕育；在浇注过程中随流孕育，孕育剂加入量为出炉铁液质量的0.05%~0.1%，进行三次孕育。通过三次孕育法，促进石墨化，获得石墨细小圆整度高的石墨球，同时消除游离渗碳体，细化共晶团。

3　铸造工艺

采用40/70目木质改性呋喃树脂砂手工造型、固化剂配比为65wt.%A型固化剂+35wt.%B型固化剂，树脂加入量1.0%~1.2%，固化剂加入量为树脂量的30%~50%。

3.1　浇注时间

根据三维模型分析，上箱体铸件重量153kg，浇注铁液重量215kg；下箱体铸件重量103kg，浇注铁液重量165kg。浇注时间根据形状复杂的薄壁件经验公式（1）确定：

t=S·（GL）1/2 （1）

式中：t为浇注时间（s）；GL为型内金属液总重量，包括浇冒口系统重量（kg）；S为系数，根据铸件主体壁厚及球墨铸铁材质特性，取1.2。计算得上箱体t=16s，下箱体t=14s。

3.2　浇注系统尺寸

铸型采用半封闭式浇注系统，ΣA内∶ΣA横∶ΣA直=0.8∶1.3∶1。

浇注系统尺寸的确定，采用阻流断面设计法，计算公式为：

式中：A阻为浇注系统最小断面积（cm2）；GL为流经A阻断面的金属液总重量（kg）；μ为流量损耗系数，取0.55；t为浇注时间（s）；Hp为平均静压力头高度（mm）。计算得上箱体A阻=17 cm2，下箱体A阻=15 cm2。

3.3　铸造工艺方案

齿轮箱上、下箱体的铸造工艺方案如图2-3所示。上箱体浇注系统尺寸分别为：ΣA内=17cm2，三个内浇道面积均为5.7cm2；ΣA横=28cm2；ΣA直=21.25cm2，直浇道直径=52mm；下箱体浇注系统尺寸分别为：ΣA内=15cm2，两个内浇道面积均为7.5cm2；ΣA横=24 cm2；ΣA直=19cm2，直径=50mm。针对箱体的不同部位，设置了冒口和冷铁，控制金属液凝固过程，冒口采用福士科发热保温冒口7/10K和5/8K，冷铁采用灰铸铁或石墨冷铁，冷铁厚度取被激冷部位铸件壁厚的0.8~1.2倍。

图2　上箱体铸造工艺方案

图3　下箱体铸造工艺方案

3.4　流动场CAE 分析

图4-5为齿轮箱铸件仿真模型，通过Magma仿真分析，直浇道采用下小上大的锥度，铁液快速充满直浇道底部，减小了铁液在直浇道中的紊流，使直浇道中不会产生负压区，避免铁液的吸气氧化，且能使渣子浮在直浇道上表面；横浇道采用大截面积，减缓了铁液在横浇道中的流动速度，紊流减轻，有利于渣子的上浮；采用薄而宽的内浇道，使横浇道内液面充分高出内浇道顶部后，内浇道才开始充型，这时渣子将高于内浇道从而得到良好的阻渣效果。