机车电机盖的铸造工艺优化

机车电机盖的铸造工艺优化

翟琳阳  郭振峰

中车大连机车车辆有限公司 辽宁省 大连市 116043

摘要：在科技不断发展下，只有加大对机车电机盖铸造工艺优化的研究，才能解决传统铸造工艺的缺陷，提高机车电机盖成品率，促进我国铸造业的创新和发展。

关键词：机车；电机盖；铸造工艺

机车电机盖作为机车的关键部件，其质量直接决定着机车运行的安全性和可靠性。本文从熔炼与冷铁冒口方面分析了机车电机盖轴承孔缩松问题，并利用Magmasoft仿真软件对原铸造工艺进行了优化，合理设计冒口颈尺寸，充分利用金属液共晶膨胀，在铸件中建立内压力，以抵消二次收缩，消除缩松缺陷。

一、机车概述

机车是牵引或推送铁路车辆运行，而本身不装载营业载荷的自推进车辆。其是利用蒸汽机、柴油机、牵引电动机或其它动力机械产生的动力，并通过机车传动装置驱动动轮(驱动轮)，借助动轮和钢轨之间有一定的粘着力而产生推动力即机车牵引力。机车产生的牵引力克服列车阻力，可拖动比它自身重量大10倍或20倍以上的车列。通过列车牵引计算，可求得某一机车能牵引车列的总重量。要提高机车牵引力，就要相应地增加机车粘着重量(机车所有动轮作用于轨道上的重量)。然而决定粘着重量的机车轴重(一根动轴上的两个动轮垂直作用于轨道上的重量)是有限度的，若超过轴重限度，就要增加轴数。因此，轴数是机车的重要参数，由各种轴数组成的车轴排列式可表征机车的性能和用途。

二、电机盖材质

电机盖是电机的外壳，保护电机内部零部件。

1、铸铁电机盖。铸铁电机盖密封性好，耐腐蚀性强，不易变形，能有效保护电机内部零部件。其热传导性能适中，能满足常规工业应用需求。常见的铸铁材料有灰铸铁、球墨铸铁等，其中球墨铸铁耐挠性和韧性更好，适用于长时间高速旋转的电机。

2、铝合金电机盖。铝合金电机盖具有密度小、导热性能好、防锈蚀性能优越等优点，适用于电机功率小、轻质化、散热要求高的应用场景。常见的铝合金材料有ADC12、A383等，其中ADC12在铸造和加工方面具有优良的性能，被广泛应用于电机盖、汽车零部件等领域。

3、塑料电机盖。塑料电机盖轻质、耐磨、绝缘性能好、成型容易，适用于电机密封性要求高、工作温度不高的应用场景。常见的塑料材料有ABS、PA等，其中ABS具有一定的韧性和耐冲击性，广泛应用于家电电机盖、电动工具电机盖等领域。

三、传统铸造工艺问题

选取某机车电机盖为研究对象，其外形尺寸为607mm×610mm×195mm，平均壁厚9mm。根据壁厚标准，电机盖属于薄壁铸件。此外，它的模数为1.4cm，由质量为72kg的球铁铸件制成。全表面磁粉探伤和超声波检测不超过相关规定的三级。

电机盖采用顶浇法，使铸件保持在下型中，这样能消除自浇注不足和冷隔等缺陷。此外，使用下型能避免由于合箱而导致的夹砂缺陷。在这一铸造过程中，砂芯也在下型中。砂芯的定位是利用通风口将芯头和中间轴孔处冷铁砂芯头拉出。因此，该浇注系统具有充型平稳、挡渣特点，能有效保证铁液质量和电机盖铸造质量。

此外，铸造工对轴承孔厚的主要处理方法是采用冒口及冷铁施工工艺。具体来说，用铁芯代替该位置的砂芯，以加速较厚部分的凝固，并增加其工艺补贴，以防止发热冒口。同时，在大平面和通风区域安装两个发热冒口和侧冒口，以消除缩孔缺陷。

另外，铸造工艺采用高强度呋喃树脂自硬砂造型和制芯，并使用专门的醇基涂料。熔炼时，熔炼温度应控制在1530～1570℃之间，出炉温度在1510℃左右，误差范围在10℃以内，浇注温度为1390±10℃，浇注时间为13±1s。同时，碳、硅、锰和镁的含量比分别控制在3.7、2.2、0.1和0.03左右。

实践表明，尽管采取了一系列预防措施，但在使用传统铸造技术后，铸件仍遇到局部位置缩松超标问题。缩松最严重的区域是轴承孔冒口下方，其次为内浇道耳部区域。

四、问题

首先，铸件的工艺实施大多由机械完成，不存在实施缺陷。其次，考虑铸件熔炼过程，电机盖铁液熔炼、出炉、浇注温度等均在标准范围内。显然，在熔炼过程中无差错，并且考虑到化学元素在其中的比例。经过对铸件的化学成分和石墨检测，发现当碳含量为4.48%，即标准范围内时，铸件缩松缺陷较少，铸件的球化效果好。显然，这并不是铸件缩松的化学成分造成的。最后，考虑冷铁和冒口的设计。由于已描述其设计、摆放情况，所以可使用代数计算软件Magmasoft来模拟和分析其凝固过程，这样能直观、形象地观察铸件各部位残液余情况，并对其分析。经实际模拟发现，一段时间后，残余液相在铸件薄壁区消失最快，但在轴承孔和冒口根部仍有残余液相存在。随后，经一段时间后，冒口颈完全凝固，堵塞了冒口和铸件的补所通道。对此，可认为轴承孔冒口下方的缩松缺陷主要是由于冒口在金属液态下补充了一些金属液。在共晶膨胀结束前，冒口不能截断补所通道，这会导致金属液回填。轴承孔的厚大部位在工艺补贴后凝固，会造成无法补缩现象，导致缩松缺陷。内浇道耳区的缩松是由于铸件凝固时，侧冒口会补缩和其连接的横浇道。

五、工艺优化

由于导致轴承孔冒口下方出现缩松缺陷的主要原因是冷铁+冒口处理时存在冷铁、冒口设计和、摆放不合理问题，所以若需优化铸造工艺，消除缩松缺陷，可从这方面入手。

1、优化冒口设计。如在轴承孔放冒口处增加斜锲形冒口颈，并增加冒口颈高度，这样能在铁液共晶膨胀时，加速凝固冒口颈，从而截断回填通道中的铁液。冒口本身是铸件的一个补充部件，具有补缩作用。毕竟在冷却过程中，铸件最薄的部分会先凝固，厚大部分可提供其收缩补偿，然而，厚大部位凝固时若无收缩补偿会形成缩孔。但若用更高斜锲冒口颈，则可收缩补偿铸件厚大部分，从而消除缩松缺陷。因此，采用这种优化方法对冒口进行优化设计。

2、一般情况下，为确保铸件能按顺序凝固，选择内浇道靠近冒口的浇注方法。因此，当逐渐凝固时，通风口处的侧冒口会补缩相邻横浇道，而内浇道耳部区域在凝固过程中无法补缩，从而形成缩松缺陷。对于此问题，可将侧冒口从内浇道耳部区域去除，并放置5/8发热冒口。同时，将两个内浇道合并为一个内浇道，这样当内浇道耳朵部位凝固时，5/8发热冒口将自动补偿。此外，在将两个内流道合并为一个后，不再需考虑横浇道问题。可以说，设计结构更精简和有效。

3、应注意的是，在优化冒口设计时，在摆放过程中简化内浇道结构时，有必要考虑电机盖实际尺寸。毕竟，冒口厚大部分的壁厚不是平均壁厚，特别是内流道直径和壁厚规格会影响电机盖铸件使用性能。在对内流道和发热冒口进行合并及优化时，需选择合理结构参数，这样才能进一步提高电机盖的铸造工艺优化质量。

六、优化效果

在完成电机盖铸造工艺的基本优化后，要进行模拟和分析，以了解铸造工艺的最终优化效果。同样，还可使用代数计算软件Magmasoft，其是一种铸造过程模拟软件，是目前最流行的铸造模拟软件，能对铸造过程中的充型、凝固、冷却、热处理等进行详细的模拟，并将其过程形象化展示。在检测铸造工艺优化结果时，主要方法是使用软件模拟铸件的凝固过程，通过观察铸件各部分在不同凝固时间点的液相分数来判断凝固结果。通常选择两个时间节点，开始凝固与完全凝固时间进行比较分析。同时，基于疏松判据，即缩孔与液相分数间关系，判断各部位缩孔情况。

具体的模拟分析过程为：使用Magmasoft软件进行模拟后发现，斜锲形冒口颈的初始凝固时间为105s，冒口完全凝固时间为170s，随后用疏松判据分析发现，铸件轴承孔冒口下部和内浇道耳区无缩松现象，且其它部位无缩松。这表明，经过工艺优化后，电机盖铸件的缩松缺陷得到了有效消除。也就是说，工艺优化方法能应用于实际生产中进行检测，以确认其实用价值。

参考文献：

[1]郭玉峰.机车电机水冷端盖铝外套铸造工艺设计及优化[J].特种铸造及有色合金,2017,37(06):602-605.

[2]查明晖.机车电机盖的铸造工艺优化[J].铸造技术,2017,38(02):456-458.