淺談機車電機蓋的鑄造工藝優化途徑
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摘 要：電機蓋是機車的重要組成部件之一，其鑄造工藝比較復雜。進一步優化電機蓋的鑄造工藝能提高電機蓋的使用性能，延長機車的使用周期。該文主要針對機車電機蓋軸承孔的縮松問題進行了研究，詳細分析了如何應用熔煉工藝、冷鐵冒口工藝等，優化電機蓋的鑄造工藝，消除縮松缺陷。
關鍵詞：機車電機蓋 鑄造工藝 優化途徑
中圖分類號：U260.6 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）03（c）-0068-02
近年來，隨著機車電機性能的逐漸提高，電機蓋的鑄造精度越來越高。傳統的鑄造工藝問題也容易凸顯出來。為了提高機車電機蓋的使用性能，研究人員只有加大其鑄造工藝的研究，積極采用新工藝、新方法，優化電機蓋的鑄造工藝，消除傳統電機蓋鑄造工藝的弊端。
1 傳統鑄造工藝問題
該文選擇了某一機車的電機蓋作為研究對象。該電機蓋的外形尺寸為607mm×610mm×195mm，平均壁厚達9mm。依據壁厚標準，該電機蓋屬于薄壁鑄件。另外，其模數為1.4cm，材質是球鐵鑄件，質量為72kg，全表面磁粉探傷、超聲波檢測均不超過相關規定的三級。
該電機蓋主要是采用頂注式澆注方式，使鑄件處于下型中。這樣做的主要目的是消除自澆注不足、冷隔等缺陷。而且，采用下型還能避免合箱引起的夾砂缺陷。在這一鑄造工藝中，砂芯也處于下型。砂芯的定位主要是利用通風口拉出芯頭、中間軸孔出的冷鐵砂芯頭?？傊?，該澆筑系統具有充型平穩、擋渣的特點，能有效保證鐵液品質及電機蓋鑄造質量。
另外，該鑄造工對軸承孔厚大部分的主要處理方法是采用冒口和冷鐵的施工工藝。具體是將該處的砂芯換成鐵芯，從而加快其厚大部分的凝固。并在該處增加工藝補貼，便于防止發熱冒口。同時，還在大平面上、通風口部位分別設置了兩個發熱冒口、側冒口，以達到消除縮孔缺陷的目的。
除上述外，該鑄造工藝使用了高強度呋喃樹脂自硬砂造型及制芯，且采用了專用醇基涂料。在熔煉過程中，將其熔煉溫度控制在1530℃～1570℃之間，出爐溫度在1510℃左右，誤差范圍在10℃以內，澆注溫度為（1390±10）℃，澆注時間為（13±1）s。同時，將其中的碳元素、硅元素、錳元素、鎂元素的含量比分別控制在3.7、2.2、0.1、0.03左右。
實踐證明，雖然采用了一系列的預防措施。但是采用傳統鑄造工藝后，鑄件仍出現了局部位置縮松超標的問題。其中縮松最為嚴重的部位是軸承孔冒口下處，其次是內澆道的耳朵部位。
2 問題分析
首先，鑄件的工藝實施多是由機械完成，不存在實施缺陷。其次，從鑄件熔煉過程考慮。該電機蓋的鐵液熔煉溫度、出爐溫度、澆注溫度等均處于標準范圍內。顯然，熔煉過程并無差錯。再者，從其中化學元素的占比考慮。在對鑄件的化學成分、石墨檢測過后發現其出碳量在4.48%時，也就是在標準范圍內時，鑄件的縮松缺陷比較少，且鑄件球化效果也非常好。顯然，這也并非是化學成分造成的鑄件縮松。最后，從冷鐵、冒口的設計方面考慮。上文中已經描述出了其設計、擺放情況。對此，我們可利用代數計算軟件Magmasoft對其凝固過程進行模擬、分析。這樣可直觀、形象地觀察到鑄件各部位的殘余液情況，并對其進行分析。經過實際模擬發現，經過一段時間后，鑄件的壁薄部位殘余液相消失最快，但軸承孔、冒口根部仍存在殘余液液相。隨后，又經過一段時間后，冒口頸完全凝固堵塞了冒口、鑄件的補所通道。至此，可認為軸承孔冒口下處出現的縮松缺陷主要是因為：冒口在金屬液液態收縮時，會補充部分金屬液。在共晶膨脹結束前，冒口無法截斷補所通道，就會造成金屬液回填現象。而軸承孔的厚大部位的凝固在工藝補貼之后，這就會造成厚大部位不能補縮的現象，進而產生縮松缺陷。內澆道耳朵部位的縮松則是因為鑄件凝固時，側冒口會補縮與其相接的橫澆道。
3 工藝優化
從上述文中能夠得知造成軸承孔冒口下處出現縮松缺陷的主要原因是冷鐵+冒口處理工藝存在冷鐵、冒口設計、擺放不合理的問題。那么，若要優化鑄造工藝，消除縮松缺陷，就可從這一方面入手。
首先，可優化冒口設計。如在軸承孔放冒口處增加斜鍥形狀的冒口頸，并增加該冒口頸高度。這樣做的主要目的是為了在鐵液共晶膨脹時，加快冒口頸凝固，從而使回填通道的鐵液被截斷。冒口本身就屬于鑄件的補充部分，具有補縮作用。畢竟鑄件在冷卻時，最薄的部位會先凝固，其收縮補償可由厚大部位提供，而厚大部位凝固時若得不到收縮補償就會形成縮孔。但如果采用較高的斜鍥形狀的冒口頸，就可使鑄件的厚大部位得到收縮補償，進而消除縮松缺陷。所以，該文采用了這一優化方式，優化冒口設計。
其次，一般情況下，為了保證鑄件能夠順序凝固，會選擇內澆道靠近冒口的方式進行澆筑。那么，在逐漸凝固時，通風口處的側冒口就會補縮相接的橫澆道，那么內澆道的耳朵部位凝固就會無法得到補縮，形成縮松缺陷。對于這一問題，可采用去除內澆道耳朵部位的側冒口，并放置5/8的發熱冒口。同時，將其中的兩個內澆道合并為一個內澆道。這樣當內澆道的耳朵部位凝固時，5/8的發熱冒口會對自動進行補縮。而且兩個內澆道合并為一個內澆道后，不再需要考慮橫澆道問題?？梢哉f，該設計結構更加精簡、有效。
最后，需要注意的是在優化冒口的設計。擺放時，簡化內澆道結構時，必須考慮電機蓋的實際尺寸。畢竟其冒口厚大部位的壁厚并非是平均壁厚。尤其是其內澆道的直徑、壁厚規格，會影響到電機蓋鑄件的使用性能。在合并、優化內澆道與發熱冒口時，更需要合理選擇結構參數。只有這樣才能進一步提高電機蓋的鑄造工藝優化質量。
4 優化效果
在完成基本的電機蓋鑄造工藝優化后，還需進行模擬、分析，了解最終的鑄造工藝優化效果。同樣，還可利用代數計算軟件Magmasoft。這是由德國研發的一種鑄件過程模擬軟件，也是目前最為流行的鑄件仿真軟件。它能夠對鑄件過程中的充型、凝固、冷卻、熱處理等進行詳細的模擬，并將其過程形象化地展示出來。在檢測該鑄造工藝優化成果時，主要就是應用該軟件對鑄件過程中的凝固進行模擬，通過觀察不同凝固時間點的鑄件各部位液相分數來判斷其凝固結果。通常是選擇開始凝固時間、完全凝固時間兩個時間節點進行對比、分析。同時，依據疏松判據，即縮孔與液相分數的關系圖來判斷逐漸各部位的縮孔情況。
其具體模擬分析過程為：利用Magmasoft軟件模擬后，發現斜鍥形狀冒口頸的開始凝固時間為105s。冒口的完全凝固時間為170s。隨后，應用疏松判據分析，發現鑄件軸承孔的冒口下處、內澆道的耳朵部位并沒有出現時縮松現象，且其他部位也并未出現縮松現象。這就表明：經過工藝優化后，電機蓋鑄件的縮松缺陷被有效消除了。也就是說，可將該工藝優化方法應用到實際生產中，進行檢測，確認其是否有利用價值。
5 結語
綜上所述，在科學技術不斷發展的背景下，只有加大機車電機蓋鑄造工藝的優化研究，才能解決傳統電機蓋鑄造工藝的缺陷，提高機車電機蓋的成品率，推動我國鑄造行業的創新與發展。
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