基于华铸CAE的重载铁路货车摇枕工艺研究

 刘峻岭  凌云飞  田季林  王晶  张复兴

（1．齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司；2．武汉市机械工艺研究所有限公司）

摘要  分析了新型重载铁路货车摇枕的结构特点和工艺设计要点，根据现有生产条件制定了生产工艺，并应用华铸CAE软件对摇枕充型和凝固过程的流场、温度场进行了模拟分析，预测了铸造摇枕缩孔、缩松缺陷，优化了铸件铸造工艺，实现了工艺完整性，使摇枕一次试制成功，缩短了试制周期。

关键词摇枕；铸造工艺；数值模拟

 摇枕是铁路货车最为关键的受力部件，其制造品质对铁路货车的正常运行和行车安全起着重要作用，为此在摇枕生产过程中采用铸造数值模拟技术，可以根据模拟结果优化铸造工艺，在保障铸件品质、缩短制造周期的前提下，获得最优的铸造工艺方案。

1  产品结构特点

摇枕外形尺寸为2 480 mm×550 mm×440 mm，壁厚为17～40 mm，净质量为(760±16) kg，壁厚不均匀，内腔结构复杂（见图1）。摇枕总长接近2.5 m，增加了翘曲倾向性，同时线收缩不易控制，关键的轴距尺寸参数不易确定。

 为满足承重要求，在内腔设置了多道拉筋，且拉筋上设置了8个工艺孔。该产品中心圆盘处壁厚超过临近壁厚，达到了35 mm，且与侧壁及内腔拉筋相连，在该处存在分散热节。

2产品铸造工艺方案

 采用酯硬化水玻璃砂造型，水平分型，平作平浇，材质为AAR M201 B+级钢，根据材质及不同的部位结构特点，铸造收缩率在1.7%～2．o%之间选取。因为铸件结构复杂，热节分散，采用整体同时凝固结合局部顺序凝固的工艺方案，可实现铸件整体同时凝固，冒口部位顺序凝固。

由于铸件心盘部位壁厚超出临界壁厚，且存在分散热节，因此在该处设置4个明冒口，其他热节部位同时设置相应冒口进行补缩。为避免斜楔部位的下托板成型不良，设置相应排气针。采用开放式浇注系统，钢水由两端同时引入，实现钢水平稳、快速充型。钢水采用漏包浇注，经浇口杯注入直浇道，过桥跨度（浇口距）为2 560 mm（见图2）。

3采用数值模拟技术进行工艺验证

3.1三维实体建模及网格划分

  采用P，o/E三维设计软件构建实体模型，首先构建产品模型，其后在产品模型的基础上加入工艺设计的参数，增加浇注系统、冒口、排气针、加工量等，构成铸造三维模型（见图3）。

3.2网格剖分

采用华铸CAE软件进行网格剖分，为了保证计算精度和计算速度，对铸件、浇注系统、冒口等采用相同的网格尺寸(7 mm)，剖分结果见图4。

3.3工艺参数设定

 在软件数据库中选取与AAR M201 B+级钢材质极为相近的钢种，其化学成分（质量分数，下同）为：0.28%～0.32%的C,0.7%～0.9%的Mn,0.20%～0. 35%的Si，P、S含量为0.04%，其余为Fe。

 铸型温度设置为20。C，浇注温度为1 580℃，浇注时间设定为30～35 s。

3.4  浇注过程的流场模拟

流场可以看到充填过程中金属液的温度变化，以及充型过程中产生的缺陷。图5为摇枕浇注过程中的流场模拟。从模拟结果可以看出，充型约25%时，两侧钢水开始交汇，此时液面处于不平稳状态。随着充型过程的进行，在重力和粘性力的控制下充型逐渐趋于稳定，充型接近50%时，液面稳定，充型平稳。

3.5凝固次序与色温模拟

图6是铸件的凝固次序模拟图。可以看出，摇枕心盘和旁承部位因为与内腔的拉筋和侧壁交接，因此存在较大的热节，凝固时间较晚，此两处设置冒口，有效实现了对该区域的补缩，降低了铸件的缩松倾向。

图7是铸件的色温模拟图。通过对摇枕凝固过程的模拟，可以观察到不同的凝固时间及铸件各个部位的温度差异。摇枕的心盘部位和旁承部位，属于最后凝固的区域，此区域相应设置了冒口补缩，证明工艺设计的合理性。但摇枕心盘下面的侧墙和内腔拉筋的根部凝固时间相对较长，易产生铸造缺陷，因此应在这些部位增设冷铁，提高过冷度，有利于铸件的凝固和收缩。

3.6定量缩孔模拟分析

图8是定量缩孔分析结果。可以看出，心盘4个冒口根部缩孔和缩松倾向很大，旁承部位冒口根部的缩孔和缩松不影响铸件母体，内腔拉筋的根部存在缩孔和缩松，斜楔部位的排气针根部以及内浇道的根部存在缩孔和缩孔。

4  工艺改进

 通过对摇枕充型和凝固过程的模拟可知，在初始工艺设计条件下，两端钢水在交汇时，充型不稳，该部位易产生铸造缺陷口，可以采取以下几项措施加以改进：①增加心盘部位冒口尺寸，进一步提高冒口的补缩能力，可以保证缩孔和缩松不侵害铸件本体；②增加斜楔部位排气针尺寸，消除排气针根部缩松；③在摇枕侧壁根部以及内腔拉筋根部增设冷铁，提高铸型激冷能力；④在内浇道根部增设暗冒口，提高浇注系统补缩能力，消除内浇道根部的缩松缺陷。

5  试验验证

 通过20余件小批量生产验证，该型摇枕的力学性能、疲劳试验次数、静载荷指数均达到技术要求，对关键区进行实物解剖分析，发现铸件致密度良好，满足标准要求。