复杂腔体铸造性能直接影响着高铁列车制动系统的安全性ꎮ以复杂腔体为研究对象ꎬ采用Anycasting软件对普通冒口和保温冒口的复杂腔体铸造成形过程进行数值模拟ꎬ得到复杂腔体缩松和缩孔分布ꎬ并对无冷铁和有冷铁时复杂腔体铸件金相组织展开研究ꎬ对铸件工艺进行改进ꎮ研究结果表明ꎬ保温冒口和外冷铁有利于消除或避免复杂腔体铸件缺陷ꎬ综合考虑球化率和白口倾向的影响ꎬ外冷铁厚度以10 mm为宜ꎮ关键词:复杂腔体ꎻ铸造ꎻ成形预测ꎻ数值模拟中图分类号:TG25 文献标识码:A 文章编号:2095 -509X(2020)05 -0117 -04近年来ꎬ随着高铁技术的发展ꎬ薄壁、复杂、整体、精密铸件制造已成为高铁制动系统零部件制造技术的发展趋势ꎬ这类铸件结构性好、可靠性高、质量小、加工成本低ꎬ但是铸件的质量要求高ꎬ不能有夹渣、气孔、缩松、裂纹等铸造缺陷ꎮ传统观念认为铸钢件更能满足高铁系统中复杂的受力环境对机械性能的要求ꎬ而随着球墨铸铁技术的发展与成熟ꎬ球墨铸铁的机械性能完全可以承受这种复杂受力环境ꎮ球墨铸铁在成本和生产工艺上比铸钢件具有更加可观的经济性ꎬ因此工程机械上球墨铸铁件的应用越来越多ꎬ其在高铁制动系统零部件上的应用前景也越来越广泛ꎮ卫东海等[1]开展了轨道交通用QT400— 18LT球墨铸铁件性能研究ꎬ结果表明采用小颈保温冒口和保温覆盖剂可加强补缩效果ꎬ有效消除了铸件的缩孔、缩松缺陷ꎮ王金国等[2]采用有限元分析法模拟了碳当量元素对亚共晶球墨铸铁流动性的影响ꎬ结果表明对亚共晶球墨铸铁试样进行增碳或增硅处理后ꎬ螺旋试样流股末端的晶粒得到细化ꎬ试样流动性得到提高ꎮ然而ꎬ由于受到各种因素的影响ꎬ采用球墨铸铁铸造时仍会产生一些缺陷ꎬ研究者通过数值模拟或者工艺措施及时发现了这些问题ꎬ提高了铸件的合格率ꎮ梁作俭等[3]建立了模拟铁型覆砂球墨铸铁件铸造凝固过程的数学模型ꎬ采用动态膨胀收缩法预测球墨铸铁件的收缩缺陷ꎬ对球墨铸铁四缸曲轴新产品进行了模拟计算ꎬ结果表明:数值模拟和工艺优化有助于提高铁型覆砂球墨铸铁件质量ꎬ并降低成本ꎮ胡波等[4]采用EKK CAPCAST数值模拟软件对球墨铸铁曲轴铸造过程进行了计算ꎬ预测了曲轴铸造充型与凝固过程中可能产生的缺陷ꎬ结果发现在第四主轴颈内出现裂缝ꎬ这主要是由于凝固时间不同步造成的[4]ꎮ本文以高铁制动系统复杂腔体为研究对象ꎬ采用Anycasting软件对复杂腔体铸造冒口设计进行分析ꎬ对复杂腔体铸造成形过程进行预测ꎬ并根据预测结果对复杂腔体工艺进行改进ꎬ得到了质量较好的复杂腔体铸造件ꎮ1 复杂腔体模型复杂腔体为高铁制动系统重要的壳体零件ꎬ如图1所示ꎬ轮廓尺寸为380 mm × 378 mm × 220mmꎬ最小壁厚4.5 mmꎬ最大壁厚53.8 mmꎬ铸件质量25.2 kgꎮ复杂腔体铸件主体结构较为复杂ꎬ方形腔室和L形筋板存在多处30. 0 ~53. 8 mm的厚大热节ꎬ且各热节部位互相分割ꎬ给设置和清理补缩冒口增加了很大的难度ꎮ因而ꎬ采用覆膜砂壳型工艺制作生产壳芯ꎬ并用树脂砂将合好的砂壳进行包裹ꎬ以保证尺寸的稳定ꎮ收稿日期:2020 -02 -20基金项目:溧阳市重点研发计划项目(LA2017007)ꎻ江苏省产学研合作项目(BY2019100)作者简介:吕云琪(1977— )ꎬ男ꎬ工程师ꎬ主要从事铸造工艺研究ꎬtd@ jswsfoundry. com.7112020年5月 机械设计与制造工程 May.2020第49卷第5期 Machine Design and Manufacturing Engineering Vol.49 No.5图1 高铁制动系统复杂腔体示意2 复杂腔体浇注系统建模考虑到高铁制动系统复杂腔体最大壁厚和最小壁厚相差49. 3 mmꎬ壁厚变化比较大ꎬ热节点较多ꎬ容易产生缩松、缩孔缺陷ꎬ因而在复杂腔体铸造设计时分别采用普通冒口和保温冒口(如图2所示)ꎬ并对两者进行数值模拟ꎬ从而判断复杂腔体铸造成形状况ꎮ图2 复杂腔体铸造冒口3 复杂腔体铸造数值模拟根据高铁制动系统复杂腔体普通冒口和保温冒口设计情况ꎬ采用Anycasting软件开展复杂腔体铸造成形过程分析ꎬ从而预测和判断复杂腔体缺陷位置ꎮ3.1 缩孔分布分别采用普通冒口和保温冒口的复杂腔体铸造缩孔分布如图3所示ꎮ由图可以看出ꎬ采用普通冒口时ꎬ复杂腔体铸件内部有大的缩孔发生ꎬ大型缩孔主要集中在冒口与流道中ꎻ采用保温冒口时ꎬ铸件内部无缩孔发生ꎮ图3 复杂腔体铸造缩孔分布3.2 缩松分布分别采用普通冒口和保温冒口的复杂腔体铸造缩松分布如图4所示ꎮ由图可以看出ꎬ使用普通冒口时ꎬ由于铸件内部型腔复杂ꎬ冒口补缩效果较差ꎬ因此缩松区域较多ꎻ使用保温冒口可延缓冒口冷却时间ꎬ铸件基本实现顺序凝固ꎬ冒口补缩效率高ꎬ铸件内部缩松缺陷明显减少ꎮ图4 复杂腔体铸造缩松分布8112020年第49卷 机械设计与制造工程 由于保温冒口的蓄热能力比普通冒口强ꎬ因此冒口内铁液凝固时间长ꎬ从而改变了复杂腔体的凝固场ꎬ延长了冒口铁液补缩时间ꎬ提高了冒口对铸件的补缩效率ꎬ进而保证了铸件的致密性ꎮ4 高铁制动系统复杂腔体铸造工艺改进4.1 无冷铁对复杂腔体铸造缩松影响为了掌握无冷铁时复杂腔体铸造的缺陷程度ꎬ采用无冷铁时的复杂腔体浇注的铸件研究其补缩效果ꎬ如图5所示ꎮ由图可以看出ꎬ无冷铁时复杂腔体在热节位置缩松明显ꎮ图5 无冷铁时铸件热节部位产生的缩松4.2 无冷铁对复杂腔体铸造金相组织影响采用无冷铁时浇注的复杂腔体金相组织如图6所示ꎮ由图可以看出ꎬ从热节部位取金相试块观察金相组织ꎬ微观组织球化率为85%ꎬ珠光体含量为45%ꎮ4.3 冷铁厚度对复杂腔体铸造影响从无冷铁时的复杂腔体热节部位金相组织可以看出ꎬ复杂腔体铸件出现了较大的缩松缺陷ꎬ为了避免和消除缺陷ꎬ本文针对缩松部位采用外冷铁图6 无冷铁时热节部位取样金相组织激冷的工艺消除缩松ꎮ为验证冷铁对球化率、珠光体含量等微观组织产生的影响ꎬ分别采用10ꎬ12ꎬ14 mm等不同厚度的冷铁进行激冷ꎬ从冷铁上方铸件本体位置取金相进行分析ꎬ以研究外冷铁对复杂腔体铸造质量的影响ꎮ冷铁的作用是加快热节的冷却速度ꎬ减少成分的偏析ꎮ在冷却速度较快的条件下ꎬ铸铁中碳元素以渗碳体(Fe3C)碳化物形式存在ꎬ这在高铁列车制动系统中是绝不允许存在的ꎬ而合适的冷铁厚度可以避免渗碳体的产生ꎬ这点可通过试验来证明ꎮ从图7、图8和图9可以看出ꎬ冷铁厚度的增加不会影响球化效果ꎬ从而改变球化率ꎮ金相显示ꎬ冷铁厚度增加会导致铸件珠光体含量上升ꎬ产生白口趋势ꎬ因此冷铁过厚时会增加铸件的白口趋势和白口层深度ꎮ为保证无白口ꎬ选用薄冷铁控制缩松ꎬ这样既避免了铸件热节部位出现缩松ꎬ又避免了过度激冷导致的白口化ꎮ通过对比复杂腔体铸件金相组织ꎬ最终采用10 mm冷铁作为外冷铁ꎬ从而保证了复杂腔体铸件的质量ꎮ图7 不同厚度冷铁对复杂腔体渗碳体影响9112020年第5期 吕云琪:复杂腔体铸造成形预测及工艺方法研究图8 不同厚度冷铁对复杂腔体珠光体影响图9 3种厚度冷铁下球化率均为85%5 结束语本文对复杂腔体铸造成形过程进行了数值模拟ꎬ为预测复杂腔体铸造缺陷提供了理论依据ꎮ设计的普通冒口和保温冒口缩孔、缩松计算结果表明ꎬ保温冒口有利于减少或消除铸造缺陷ꎮ通过对比复杂腔体铸件金相组织可知ꎬ无冷铁时复杂腔体在热节位置缩松明显ꎬ有冷铁时复杂腔体缩松明显改善ꎮ研究发现ꎬ冷铁厚度的增加对球化率无明显影响ꎬ但冷铁过厚时会增加铸件的白口倾向ꎬ综合两者考虑ꎬ外冷铁厚度以10 mm为宜ꎮ参考文献:[1] 卫东海ꎬ李克锐ꎬ李增利ꎬ等.轨道交通用低温高韧性球墨铸铁件制造技术研究[C] / /2019中国铸造活动周论文集.武汉:中国学术期刊电子出版社ꎬ2019:14 -15.[2] 王金国ꎬ黄恺ꎬ闫瑞芳ꎬ等. CAFE法模拟碳当量元素对亚共晶球墨铸铁流动性的影响[J].吉林大学学报(工学版)ꎬ2019(6):1 -13.[3] 梁作俭ꎬ赵海东ꎬ柳百成ꎬ等.铁型覆砂球墨铸铁件凝固模拟及收缩缺陷预测[J].特种铸造及有色合金ꎬ2001(5):25 -27.[4] 胡波ꎬ余宁ꎬ李德江ꎬ等.球墨铸铁曲轴铸造缺陷预测与验证[J].铸造技术ꎬ2019(10):1076 -1080.Research on the forming prediction and process method of complex cavity castingLv Yunqi1ꎬMa Yun'an1ꎬHe Yafeng2(1. Liyang Wansheng Foundry Co. ꎬ Ltd. ꎬ Jiangsu Liyangꎬ 213353ꎬ China)(2. Department of Aeronautics and Mechanical EngineeringꎬChangzhou Institute of Technologyꎬ Jiangsu Changzhouꎬ 213032ꎬ China)Abstract:The casting performance of complex cavity directly affects the safety of high - speed train braking sys ̄tem. In this paperꎬ the complex cavity is taken as the research object. The numerical simulation of the complexcavity casting process of common riser and insulation riser is carried out by using Anycasting software. The distri ̄bution of shrinkage cavity and cavity is obtained. The metallographic structure of complex cavity casting withoutand with cold iron is studied and the casting process is improved. The results show that the insulating riser andexternal cooling iron are beneficial to eliminate or avoid the defects of complex cavity casting. Considering the in ̄fluence of nodularity rate and white mouth tendencyꎬ the thickness of external cooling iron should be 10 mm.Key words:complex cavityꎻ castingꎻ forming prediction0212020年第49卷 机械设计与制造工程