V法鑄造在軌道交通制動盤生產(chǎn)上的應用

V法鑄造在軌道交通制動盤生產(chǎn)上的應用摘

要：本文簡述了V法鑄造工藝的原理，V法鑄造與傳統(tǒng)樹脂砂鑄造工藝對比及現(xiàn)階段軌道交通制動盤生產(chǎn)上的問題；詳細介紹了V法鑄造在制動盤生產(chǎn)中的應用及進一步應用的探討。關鍵詞：綠色鑄造；V法鑄造；軌道交通；制動盤；應用1背景近年來軌道交通行業(yè)快速發(fā)展，“高鐵”已經(jīng)成為代表我國工業(yè)和技術能力的高端名片，制動盤作為軌道交通裝備核心部件，其生產(chǎn)要適應綠色環(huán)保這一基本國策，實現(xiàn)綠色鑄造。V法鑄造，是近年來國家推廣的綠色鑄造方法之一，在軌道交通裝備領域也已經(jīng)有一些成功的應用，如貨車搖枕側架、機車電機吊桿等。2V法鑄造的鑄造特點及制動盤生產(chǎn)現(xiàn)狀2.1V法鑄造原理V法鑄造，即真空密封造型，英文Vacuumprocesscasting。是利用塑料薄膜密封砂箱，抽出內(nèi)部空氣，使干砂緊實，以形成所需型腔。鑄件凝固后，解除負壓，清除型砂。在V法鑄造澆注過程中，金屬液充型，接觸金屬液的薄膜裂解氣化蒸發(fā)及熔融，真空作用下滲入砂中，在金屬液周圍形成一殼狀痂皮，金屬自身和涂層立即擔負密封，金屬液在殼狀痂皮中流動；靠近金屬液的薄膜則熔化滲入涂層表面，與涂層共同繼續(xù)維持密封，遠距金屬液的薄膜則仍維持原狀或熔融；腔內(nèi)氣體逃逸容納金屬液充填鑄型，腔內(nèi)氣體和燃燒產(chǎn)物通過透氣孔排出。型腔表面薄膜不斷裂解氣化和熔化，腔內(nèi)部分氣體穿過型砂被真空系統(tǒng)抽出，外界空氣通過透氣孔入型腔補充被真空系統(tǒng)抽出的氣體損失，型腔與砂型內(nèi)壓差繼續(xù)保持，鑄型繼續(xù)維持。澆注初期的強烈排氣過程后，隨即伴隨一個緩慢吸氣過程，并繼續(xù)排出氣體，直到澆注完畢、透氣孔充滿、氣體排盡。2.2V法鑄造與傳統(tǒng)樹脂砂鑄造的工藝特點對比2.2.1利于環(huán)保傳統(tǒng)樹脂砂工藝，影響環(huán)境的最大因素是樹脂含有大量的刺激性氣體，對人體有害，嚴重危害環(huán)境。而V法鑄造無粘接劑，不使用樹脂，舊砂不用再生處理，減少了排放，在這方面也就不會對環(huán)境產(chǎn)生危害。2.2.2提高產(chǎn)品質(zhì)量傳統(tǒng)的樹脂砂鑄造，在鑄件凝固過程中的強度無法調(diào)整，因此砂型對鑄件的收縮應力以及冷卻速度在凝固過程中無法調(diào)整。為解決上述問題，對砂型的強度控制，特別是鑄造原輔材料的質(zhì)量及添加數(shù)量要求就相應較高，表面及內(nèi)部質(zhì)量不易控制。V法鑄造最大的特點是，在整個澆注過程中，整個型腔保持負壓，不易產(chǎn)生紊流、渦流，有利于充型，鑄型硬度高、冷卻慢、利用補縮，這些都能更好地控制鑄件內(nèi)部縮松、縮孔、氣孔、表面裂紋等缺陷，也利于尺寸控制。鑄型硬度高，結合合理使用涂料，易于拔模，使工件表面光潔、輪廓清晰、尺寸準確。2.2.3降低成本V法鑄造因無粘接劑，省去樹脂等工藝輔料（近幾年因環(huán)保原因，樹脂等工藝輔料也大幅度漲價）及混砂設備，工件清理容易，舊砂可直接回收使用，省去了舊砂再生處理環(huán)節(jié)，減少了排放和工人勞動強度，又節(jié)約了人工成本。造型時型砂與模具之間有薄膜隔離，對模具沒有磨耗，延長了模具的使用壽命。另外還可以減小冒口尺寸和加工余量，大大提高了鋼（鐵）水的利用率。2.2.4缺點V法鑄造造型從始至終需抽出真空，實現(xiàn)制動化連續(xù)造型有一定的難度，這一點是與樹脂砂鑄造有一定差距。本文在后面3.8V法鑄造進一步應用的探討章節(jié)中將詳細了論述。2.3現(xiàn)階段制動盤生產(chǎn)上的問題制動盤目前材質(zhì)主要有鑄鐵和鑄鋼兩種。從安裝型式又分為輪裝制動盤（圖1）和軸裝制動盤（圖2）。隨著軌道交通運行速度的不斷提高，對制動盤的質(zhì)量要求越來越嚴，不論是鑄鐵盤還是鑄鋼盤，都要求較高的材料性能及材質(zhì)均勻性，同時對內(nèi)部缺陷和表面缺陷也有較嚴格的控制。我國高鐵發(fā)展初期，制動盤鑄造毛坯全部采用國外進口，近年來經(jīng)行業(yè)專家的不懈努力已逐步國產(chǎn)化。2.3.1主要質(zhì)量問題為提高制動盤的性能及熱負荷，不論是鑄鐵盤還是鑄鋼盤，在材料成分中都加入大量的合金元素。由于這些合金的作用，在鑄造過程中的凝固、冷卻以及熱處理過程中，對表面及內(nèi)部缺陷比較敏感，易產(chǎn)生表面裂紋、縮松或縮孔。上述樹脂砂工藝特點對這些缺陷不易控制。我司前期生產(chǎn)制動盤常出現(xiàn)的質(zhì)量問題主要就是表面裂紋、內(nèi)部縮松或縮孔等缺陷。2.3.2鑄造生產(chǎn)環(huán)保問題我司制動盤生產(chǎn)采用傳統(tǒng)的樹脂砂鑄造工藝，雖然也采取了一些環(huán)保措施，但仍然不能滿足國家及地方政府不斷提升的環(huán)保要求，常因環(huán)保原因停產(chǎn)，環(huán)保問題已影響制動盤的正常生產(chǎn)。綜上所述，V法鑄造有利于解決制動盤生產(chǎn)中存在的問題。3V法鑄造在制動盤生產(chǎn)上的應用從制動盤結構特點分析，V法鑄造更容易在輪裝制動盤上實現(xiàn)，我司先從鑄鐵輪裝制動盤著手，開始了V法鑄造的研制。3.1工藝方案工藝流程：模型準備→覆膜及加熱成型→噴涂料及干燥→加砂振實→覆背膜→起模合箱→澆注→脫箱落砂。利用現(xiàn)有生產(chǎn)場地，熔煉澆注設施，重新設計購置V法造型系統(tǒng)。其中模具、面膜、型砂、涂料的設計及選型是鑄鐵輪裝制動盤V法鑄造的關鍵。3.2模具設計3.2.1模型設計V法所用的模具結構與普通砂型不同，模具裝在中空的模板上，模板底部配有抽氣箱。在模具和模底板上應開設一定數(shù)量的通氣孔與抽氣箱相通。抽真空時塑料薄膜吸附在模具和模底板的表面上。通氣孔直徑一般在0.2-2mm，直徑過大會將塑料薄膜吸進孔內(nèi)，過小覆膜效果不好；孔距一般為10-50mm，但在模樣凹處、轉角處和成型欠佳處要相應增加通氣孔的數(shù)量，以利于覆膜。針對制動盤形狀和散熱筋的高度相對較高的特點，通氣孔主要設置在散熱筋根部及底面，根部因面積較小，采用小孔徑φ0.5mm大密度方式，底部孔徑略大φ1.5mm，同時為了更好的保證根部覆膜的密貼，減小了拔模斜度以增加根部倒角。3.2.2澆注系統(tǒng)設計澆注系統(tǒng)是控制澆注速度的樞紐，主要由直澆道、橫澆道和內(nèi)澆道組成，考慮制動盤圓周對稱結構，橫澆道采用環(huán)形澆道，為快速充型，設置了4個內(nèi)澆道，后調(diào)整至6個內(nèi)澆道，為保證鐵水平穩(wěn)，快速充型，同時考慮鑄鐵石墨化膨脹的二次收縮，澆道截面面積比例為S內(nèi)：S橫：S直＝1：1.5：1，便于控制澆注速度。3.2.3砂箱設計砂箱的結構與普通砂箱不同，四壁封閉，內(nèi)部裝設抽氣裝置，具有形成真空的功能?？紤]生產(chǎn)布局及今后自動化生產(chǎn)，采用砂箱側面抽氣方式。模具示意如圖3。3.3面膜的選擇國內(nèi)常用的面膜有乙烯醋酸乙烯共聚物（EVA）、聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）等，考慮制動盤散熱筋的高度相對較高的特點，選用斷裂伸長性和熱成型性能較好的EVA塑料，薄膜厚度為0.08mm。3.4型砂及涂料的選擇為了利于微震緊實，更好填充，考慮砂子粒形和粒度組成對鑄型抗壓強度、填充密度、硬度、熱傳導率、透氣性、復用性及防滲性的影響，選用40-70目硅砂，涂料選用要考慮涂料附著性、涂掛性、流平性、不流淌性之工藝性能，以及耐磨性、發(fā)氣性、抗裂性、抗粘砂性，蠕墨鑄鐵還要考慮低硫，故選擇了醇基石墨粉快干涂料。3.5工藝實施我司于2019年2月開始試制鑄鐵輪裝制動盤。自制真空抽氣系統(tǒng)，手工造型，真空管道的真空度40-50kPa，真空保持時間10-15min；面膜選用武漢恒德科技有限公司EVA膜，厚度為0．08mm，背膜選用普通的聚乙烯薄膜，覆膜加熱設備自制；涂料選用桓臺東源化工廠生產(chǎn)的醇基石墨粉快干涂料，涂料烘干采用熱風烘干，型砂選用40-70目硅砂，澆注工藝在原樹脂砂澆注工藝基礎上略微調(diào)整，澆注溫度1380-1430℃。生產(chǎn)現(xiàn)場見圖4。2019年7月完成工藝驗證。成品率為92%以上，現(xiàn)已批量生產(chǎn)，并通過當?shù)丨h(huán)保部門環(huán)評認證。3.6問題解決及注意事項3.6.1散熱筋的高度相對較高，不利于覆膜，會導致覆膜密貼不好，是試制過程中的最大難點，試制初期因該問題導致制動盤散熱筋根部裂紋，見圖5。通過提高真空壓力，澆注初期控制在50kPa、增加散熱筋周邊真空管數(shù)量、提高EVA面膜的斷裂伸長率和熱成型性能，問題得到解決。3.6.2V法鑄造不同于樹脂砂鑄造，其造型和澆注過程需持續(xù)保持型腔負壓。一旦發(fā)生覆膜破損，漏氣部位容易產(chǎn)生鑄件嚴重氧化缺陷，真空抽吸會加重氧化程度，這種缺陷大多發(fā)生在鑄件的尖角部位及分型面。再有分型面、澆冒口與型腔的結合極容易出現(xiàn)泄漏，需重點密封，同時還要注意砂箱外緣和薄膜之間密封良好以及澆冒口系統(tǒng)與型腔連接處的密封質(zhì)量，否則外部的空氣將被吸入鑄型當中。3.6.3V法鑄造用砂為干砂，不添加粘接劑，其干砂和鐵水之間的隔離層為涂料層，嚴防干砂漏入型腔。嚴格控制涂料質(zhì)量、涂料涂刷質(zhì)量和涂層厚度，對容易產(chǎn)生粘砂的地方，涂料略厚，其他地方，盡量少用涂料。3.6.4澆注過程中要盡力保護EVA膜，金屬液充型時要快速平穩(wěn)，澆注系統(tǒng)需考慮金屬流不產(chǎn)生紊流、渦流等。3.6.5涂料烘干熱風溫度應控制在50℃以下，避免損傷覆膜，均勻加熱，流動熱風可以吹到型腔內(nèi)的任何角落，以保證烘干質(zhì)量。否則會產(chǎn)生表面粘砂、氣孔、金屬浸滲、脈紋、塌箱、掉砂、夾砂等缺陷。3.6.6合理控制真空度，如金屬砂箱真空度偏低或不均勻，易出現(xiàn)砂型充填密度和硬度降低。鐵水充型過程中，鐵水的充型壓力易使砂型真空度和抽氣量偏低的部位出現(xiàn)脹型。再有，真空壓力小，薄膜容易從砂型上大片被分離，并被熔融金屬燃燒，留下碳灰時就會產(chǎn)生薄膜殘渣缺陷；真空壓力過大則會發(fā)生金屬浸滲等缺陷。3.7應用現(xiàn)狀3.7.1因V法工藝負壓澆注、鑄型硬度高、拔模容易、鐵水流動性好等特點，減少了表面缺陷和內(nèi)部缺陷，產(chǎn)品的合格率由原來的50%提高到92%以上。3.7.2產(chǎn)品質(zhì)量有較大提升，表面粗糙度提高至Ra6.3，鑄件尺寸公差提高至CT8-9級。3.7.3取消了樹脂等工藝輔料，型砂在不考慮自然消耗的情況下可以100%回收利用；省去了型砂再生處理環(huán)節(jié)，減少排放，工件清理容易，取消混砂工序，降低了勞動強度，減少人工成本30%；減小冒口尺寸和加工余量，提高鐵水利用率15%，直接降低了生產(chǎn)成本。綜上所述，V法工藝不但實現(xiàn)了綠色鑄造，同時還提高了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了成本，解決了制動盤生產(chǎn)存在的問題。3.8V法鑄造進一步應用的探討鑄鋼輪裝制動盤與鑄鐵輪裝制動盤，形狀一致或相似，只是材料不同，考慮鑄鋼與鑄鐵的差異，將模具、澆注系統(tǒng)及澆注工藝等進行適應性調(diào)整，即可實現(xiàn)鑄鋼輪裝制動盤V法鑄造，但軸裝制動盤外形結構完全不同，再有V法鑄造實現(xiàn)自動化生產(chǎn)難度相對較大，這兩方面難題我司將做進一步的研究探討。軸裝制動盤因為中間有散熱筋，所以，散熱筋板需要采用芯子形成。砂芯采用冷芯盒工藝制作，這是高效生產(chǎn)復雜內(nèi)腔鑄件的最佳解決方案。冷芯盒需采用無機粘結劑工藝以滿足環(huán)保要求。砂芯產(chǎn)生氣體，需要有砂芯排氣系統(tǒng)，一般將排氣管放在芯頭上，砂芯要有排氣道，與排氣管相通，排氣管與EVA薄膜進行粘封。輪裝制動盤形狀雖然適合模具直接形成，但考慮今后自動化生產(chǎn)線，盡可能與軸裝制動盤工藝相似，便于組織生產(chǎn)。利用結構對稱的特點，將2個輪裝制動盤相對并由筋板全部或部分地相連形成一個新的類似軸裝制動盤的結構來進行鑄造生產(chǎn)，見圖6所示。然后在后續(xù)合適的工序再將它們分離，形成2個單獨的輪裝制動盤盤體鑄件。這樣，像軸裝制動盤一樣，2個輪裝制動盤中間的筋板可以由一個芯子形成。采用這種方法，不但提高了輪裝制動盤的生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，也利用新的結構相互抵消了變形應力，較好地解決了輪裝制動盤的變形問題。在這種情形下，就能容易地將軸裝制動盤的生產(chǎn)方式和輪裝制動盤的生產(chǎn)方式有機地整合在一起，采用V法生產(chǎn)鑄型形成外模，采用芯子形成內(nèi)腔的工藝方式，在同一條生產(chǎn)線上既可以生產(chǎn)軸裝制動盤，也可以生產(chǎn)輪裝制動盤。鑄造制動盤是一種典型的中小鑄件。由于傳統(tǒng)V法自身特點，即從始至終需抽真空，因抽真空離不開負壓管，從而使砂箱的運動范圍受制約，造型效率不高，如上自動化生產(chǎn)線生產(chǎn)首先要解決自動插拔負壓管難題，實現(xiàn)連續(xù)負壓輸送。目前方案是加裝滑塊機構，滑塊上設置有第二接口以與砂箱上的第一接口相連接，滑塊經(jīng)配置以與所述砂箱做同步運動；滑塊與滑槽接觸并能在所述滑槽中進行氣密性滑動，滑槽上設置有一個以上抽氣孔以向所述滑塊提供負壓，使砂型輸送的過程中不需要停頓，實現(xiàn)連續(xù)自動化生產(chǎn)，提高效率。4結論綜上，采用V法鑄造生產(chǎn)制動盤，是一種綠色環(huán)保、提高質(zhì)量、降低成本的新型生產(chǎn)方式，在鑄鐵輪裝制動盤生產(chǎn)中取得了成功應用，今后將在軸裝制動盤及自動化生產(chǎn)方面進一步研究，實現(xiàn)制動盤全型號自動化生產(chǎn)，進而推動綠色鑄造在軌道交通領域廣泛應用。參考文獻[1]胡昌軍.V法鑄造工藝在鐵路鑄鋼件搖枕側架上的應用[J].鑄造工程，2010(01):P36-37.[2]喻光遠，徐小輝，楊志剛，錢坤才.蠕鐵制動盤表面片狀石墨控制的技術研究[C].第十五屆鑄造協(xié)會年會論文集.上海：中國鑄造協(xié)會,2019.[3]張建滿,張海勛,朱以松.V法鑄造對鐵路機車關鍵鑄鋼件生產(chǎn)的影響[C].第十二屆消失模與V法鑄造學術年會論文集（二）.武漢：中國機械工程學會鑄造分會消失模與V法鑄造委員會，2015.[4]王治國.V法鑄造用連續(xù)負壓輸送系統(tǒng)[P].山西：CN205519484U,2016.[5]安朝陽,陳軍,肖征,唐麗萍,張軍,王劍鋼.