介绍了地铁用球铁齿轮箱体的铸造工艺设计 。 该结构类型齿轮箱体壁薄 ， 形状复杂 ， 尺寸要求较高 ， 在生产过程中易产生变形 、 夹砂 、 气孔等铸造缺陷 。 针对箱体试制过程中出 现的各类铸造缺陷 ， 采用流场分析及凝固模拟分析 ， 通过优化工艺消除箱体的铸造缺陷 ， 保 证产品的质量及尺寸要求 。关键词 ： 箱体 ； 模拟 ； 质量作者简介 ：叶海定 （ 1982-） ， 男 ，工 程师 ， 主要从事铸造工艺 、 熔炼方面的工艺研究 。E-mail: 13517336813@1 63.com中图分类号 ： TG255 文献标识码 ： A文章编号: 1001-4977（2020）07-0774-05收稿日期 ：2019- 01-08收到初稿 ，2020- 05-12收到修订稿 。齿轮箱作为传动系统 ， 其关键作用不言而喻 ， 而箱体作为传动机构关键零部件 之一 ， 其设计及制造质量的优劣直接影响到设备的安全可靠性 。 为实现结构紧凑 、 重量轻的优点 ， 部分箱体的材料通常采用球墨铸铁 。 球铁具备质量轻' 高强度 、 高 塑性 、 高韧性 、 耐磨' 减震等优点 ， 所以开发球铁齿轮箱体已经成为齿轮箱发展的 一个重要方向 。 随着列车运行速度 、 牵引总重的不断提高 ， 齿轮箱运转过程中运用 中受到的随机的 、 交变的各种力的作用越来越大 ， 使箱体的使用条件进一步恶化 。 本文根据箱体质量要求及结构特点进行了铸造工艺设计 ， 并通过工艺优化解决了铸 件缺陷及尺寸问题 ， 保证了箱体的质量 。1产品结构特点及技术要求地铁用球铁齿轮箱体三维结构如图 I所示 。 上箱体轮廓尺寸为 845 mm x 365 mm x 253 mm；下箱体轮廓尺寸为 820 mm x 343 mm x 253 mm,重量为 188 kg,内腔结构复 杂 ， 壁厚不均匀 ， 尺寸公差严格 ， 齿轮箱合箱错箱量 Wl mm；箱体所有区域按 DIN 1 690-2要求进行 X射线探伤 ， 缺陷等级不超过 2级 ； 表面按 ENI369要求进行磁粉探 伤 ， 缺陷等级不超过 2级 ， 不允许存在线性缺陷 ； 下箱体需进行 24 h煤油渗漏试验 ， 不允许出现渗油现象 。 箱体材质符合 EN 1 563《 球墨铸铁 》 的 EN-GJS-500-7标准 ， 力 学性能采取本体取样方式进行检测 。 该材质化学成分及力学性能见表 I、 表 2 。2箱体铸造工艺设计及凝固模拟分析此次箱体的铸造采用金属型树脂砂重力铸造工艺方法 ， 铁液的冶炼使用 2 t中频 感应电炉 ， 摇包浇注 ， 包内孕育及球化处理 。2.1浇注系统设计考虑到该箱体结构的复杂性及工艺操作的可行性 ， 采用对半分型 ， 铸件内腔用 型芯组合形成 。 由于箱体整体壁薄且轮廓较大 ， 为有效使铁液在浇注过程中平稳快 速充型 ， 浇口比为半封闭式 ， 阻流面为内浇口 ， 其比例为工 s貢: 》 S構近 s内 =1:2:1 。 浇注 方式采用分型面进水 ， 进水口宽且薄 ， 多道同时进水 ， 横浇道置于上箱 ， 浇注过程 中利于浮渣 。2020年第 7期 /第 69卷 工艺技术 FOUNDRY(a )上箱体 (b )下箱体图 1箱体结构三维图Fig. 1 3D structural diagram of housing2.2冒口设计球墨铸铁件冒口的设计原则是保证冒口比铸件后 冷却 ， 但冒口颈比铸件先凝固 ， 从而通过石墨化膨胀 达到自补缩的效果 。 基于这个思路 ， 箱体冒口设计采 用模数法计算 ， 齿轮轴孔处厚大 ， 此处为孤立热节 ， 分别放置 2个发热冒口进行补缩 ， 箱体合箱面长 845 mm, 受补缩距离限制 ， 在两端分别放置冒口进行补缩 。 下 箱体对于油箱处内部致密度要求十分严格 ， 不允许出 现渗油现象 ， 所以在盖箱上放置两个小型号发热冒口 对油箱进行液态补缩 ， 保证其内部致密度 。 通过校核 冒口的补缩效率 （ 性件 +M浇道 +M富口 ） x3%/M即 =13%, 满足其补缩要求 。2.3冷铁设计对置于下型的箱体孤立热节 ， 无法放置冒口 ， 而此 处的热节上型冒口之间没有足够的补缩通道 ， 因此在此 处设置直接外冷铁来使之优先凝固 。 冷铁厚度 6 =0.57, 采用多块小型外冷铁 ， 间错布置 ， 相互间留一定间 隙 “ 。 考虑到箱体的形状和适合放置冷铁的位置 ， 避免将 冷铁放置在非加工面上 ， 改善铸件外观质量 。2.4凝固模拟在完成箱体的工艺设计后 ， 利用数值模拟软件对 工艺进行了流场 、 温度场 、 凝固等多方面分析经过 分析该工艺较为合理 ， 流场充型平稳 ， 铸件完全凝固 后内部质量合格 。 模拟结果如图 2所示 。3箱体试制存在的质量问题及工艺 优化3.1质量问题箱体试制及小批量投产后 ， 通过落砂清理后发现 多处存在夹渣及夹砂现象 ， 导致部分箱体报废 ， 通过分 析 ， 绝大部分都是由于铁液不干净导致的 ， 如图 3所示 。下箱体在油箱端面上出现气孔 、 冷隔 、 皱皮等现表 1 EN-GJS-500-7的化学成分Table 1 Chemical composition of EN-GJS-500-7 h*b/%C Si Mn P S Mg3.5-3.9 1.9-2.5 0.4-0.8 W0.035 W0.015 0.03-0.06表 2 EN-GJS-500-7力学性能Table 2 Mechanical properties of EN-GJS-500-7抗拉强度 /MPa 屈服强度 /MPa 伸长率 /% 布氏硬度 HBWM500 三 320 M7 170 〜 230象 ， 出现该缺陷的原因是箱体油箱面水平 ， 在铁液浇 注过程中 ， 由于排气不畅造成 。 具体如图 4所示 。3.2工艺优化针对箱体出现的夹砂夹渣缺陷 ， 通过控制铁液的 冶炼及浇注工艺保证其干净度 ， 铁液岀炉温度控制在 1 500 t ± io r,浇注温度控制在 1 400 r ± io 球 化包烘烤前须清理干净 ， 烘烤情况良好后才可出铁 。 应保证炉内铁液出完 2/3以上才开始球化反应 ， 且球化 时间不少于 60s 。 采用二次孕育法进行孕育处理 ， 包内 孕育及随流孕育 ， 球化剂加入包内后 ， 拔平压紧 ， 然 后在其表面覆盖高钙钗孕育剂 R-2 （ 粒度 3 ~ 8 mm ） , 加入量为 0.4%,最后用 1.1%钢板与废铁屑覆盖严实 ， 包内孕育结束后 ， 扒渣 4〜 5次 。 浇注产品时 ， 采用硫氧 孕育剂 Y-3 （ 粒度 0.2 ~ 0.7 mm ） ,打开漏斗阀门使随流 孕育剂准确 、 平稳 、 均匀地流入型腔 。 严格控制浇注 时间 ， 从出铁完成至浇注结束时间须控制在 12 min以 内 。 浇注时间过长会导致孕育效果衰退 ， 难以保证铸 件良好的球化率内 □ 最后在原始浇注系统上增加过滤装 置，放置 SiC泡沫陶瓷过滤片过滤掉铁液中的砂和渣 ， 采用的过滤片及过滤装置如图 5所示 。在下芯前 ， 对砂型和砂芯进行火焰烘烤 3〜 5 min, 减少砂型或砂芯中水分含量 ， 避免型腔内析出气体 。 为 保证箱体在浇注过程中排气通畅 ， 扣箱后 ， 将远离浇口 的一端砂型垫起约 10cm,避免型腔内大平面充型 。 提高FOUNDRY工艺技术 Vol.69 No.7 2020(b)温度场模拟(c )凝固过程模拟图 2流场 、 温度场和凝固过程模拟分析结果Fig. 2 Simulation results of flow field, temperature field and solidification process图 3箱体夹渣缺陷Fig. 3 Entrapped slag defects in housing2020年第 7期 /第 69卷 工艺技术 FOUNDRY 袴活 ■ 777型面上升速度 ， 有利于充型过程的排气和排渣 O4生产验证工艺优化后 ， 对生产的箱体铸件进行了尺寸 、 内 部质量 、 材料性能等检验 ， 检测结果均符合相关标准要 求 。4.1尺寸检验利用手持激光三维扫描仪对箱体铸件外形及内腔 进行扫描 ， 生成数值三维模型 。 与原始铸件三维进行 拟合对比 ， 检测所有非加工面的偏差均在 I mm以内 。 拟合结果如图 6所示 。图 4下箱体油箱面气孔Fig. 4 Blowhole on the surface of lower housing图 5过滤装置Fig. 5 Filter unit（a ） 上箱体 1维拟合（b ） 下箱体潍拟合 图 6箱体三维拟合Fig. 6 3D fitting of housingFOUNDRY 工艺技术 Vol.69 No.7 20204.2内部质量检验将箱体铸件使用锯床每隔 50 mm距离进行切片 ， 对 所有断面做渗透探伤检查 ， 检查结果均无缺陷显示如 图 7所示 。4.3材料性能检验根据相关技术要求 ， 箱体的材料性能采用本体 取样方式检测 ， 上箱体共取 9组试样 ， 下箱体取 4组试 样 ， 检测结果均满足标准要求 。 检测结果见表 3 。图 7箱体切片渗透探伤Fig. 7 Sectioned housing for PT inspection表 3本体取样材料性能Table 3 Mechanical properties of test sample cut from casting取样位置 取样编号抗拉强度/MPa屈服强度/MPa伸长率/% 硬度 HBM500 M320 M7 170〜 230A1 548 349 14.5 198A2 567 358 13.0 204A3 529 334 15.5 192A4 568 357 14.5 204上箱体 A5 559 350 16.0 202A6 508 332 1 2. Tianyang Technology Co., Ltd., Ningbo 315000, Zhejiang, China )Abstract:The casting process design of ductile iron gear box for metro is introduced. This type of gear box has thin wall, complex shape, and high size requirements. It is easy to produce casting defects such as deformation, sand inclusions and blowhole in the production process. In view of various casting defects in the trial production process of the box body, the flow field analysis and solidification simulation analysis were conducted and the casting process was optimized to eliminate the casting defects and ensure the quality and size requirements of the product.Key words:gear box body; simulation; quality(编辑 ： 潘继男 ， pjy@fbundryworld .com )
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