苟富强

（成铁重庆机器制造厂资阳分厂，四川 资阳 641300）

棘轮本体是铁路电气化接触网的重要零部件，其性能直接影响铁路的行车安全。棘轮本体零件图，如图1所示。其采用金属模低压铸造，材料牌号为ZAlSi7Mg1A，符合GB/T1173-1995，合金状态为T5（固溶处理加不完全人工时效），其铸造状态为JB（金属型铸造+变质处理），抗拉强度为σb≥290 MPa，延伸率为δ5≥2%。除内孔外，其余均不需要机加工。铸件不许有气孔，缩松，夹渣等缺陷，表面应光洁，平整。轮体沟槽无毛刺及残渣。下面就以棘轮本体为例，介绍棘轮本体金属模低压铸造工艺与模具设计。

图1 棘轮本体零件图

1 工艺的制定及细化

1.1 工艺的制定

低压铸造上部为用于浇注的铸型（通常为金属型）；下部为密闭的保温坩埚炉，用于储存熔炼好的金属溶液，铸型与坩埚间由升液管相联通。低压铸造的工艺过程如下：浇注前先将铸型预热到工作温度，喷刷涂料，以提高其耐火性及表面精度，然后缓慢的向坩埚内通入干燥的压缩空气。金属熔液在气体压力的作用，由下而上沿着升液管平稳上升，直到充满铸型型腔。充型结束后立刻提高压力至规定的工作压力，使金属熔液在压力作用下结晶。当铸件完全结晶后，使坩埚室与大气相通，撤销压力，升液管和浇道中尚未凝固的金属熔液在压力的作用下流回坩埚。开启上型，取出铸件。制造工艺过程如图2所示。

在压力铸造时，铸件不需另设冒口，而由浇口兼起补缩作用。为使铸件实现自上而下的顺序凝固，浇口的截面尺寸必须足够大，而且应开在铸件的最厚壁处。

图2 棘轮制造工艺

1.2 工艺的细化

（1）金属型模

先利用金属 (一般采用球墨铸铁或耐热冲击合金)制作零件模具的型腔。然后设置合理的浇冒系统和开合模机构，尽量减少飞边或大热节的产生。开合模具、浇注均由铸机完成，金属型的结构为上下开合模，两侧为半圆环塑芯，中心孔型芯带在上模型。

（2）砂芯模具及砂芯制作

砂芯模具采用金属模。利用金属(一般采用球墨铸铁或耐热冲击合金)制作砂芯模具的型腔。砂芯制造采用制芯机制造，沙子采用覆膜砂。制出的砂芯必须光洁、有足够的强度和干燥度，避免发气量过大。砂芯如保存超过一天，最好在使用前进行烘干处理。

（3）金属熔炼

铝合金采用电阻炉进行熔炼、保温，铝合金(ZAl-Si7Mg1A)熔炼温度在730～770℃。熔炼的金属液成分、温度必须满足要求，方可将合金液注入低压铸机进行浇注。

（4）合模浇注

在低压铸造时，铸型的填充过程是靠坩埚中液体金属表面上气体压力作用来实现的。所需气体的压力可用下式确定：p=μρgH。

根据铸件形成过程可分为升液、充型和凝固(结晶)三个阶段，其所需的压力及增压速度也不同。

（5）开模取件

当铸件冷却固化后，可开模取出铸件。铸件要自然顶出，如发生卡壳现象，必须平稳的用小撬棍轻撬，有松动后再用钳子夹出。

（6）清理浇冒口

切割铸件浇冒口采用手工锯、圆盘锯、带锯或砂轮切割均可。在切割时不能残留过多或伤到铸件。对棘轮轮毅毂上的浇冒口可直接车除。

（7）铸件变形的校正

铸件变形校正应在淬火后立即进行，根据铸件特点和变形情况选择相应的矫正方法，矫正时用力不宜过猛，要缓慢均匀。

（8）表面处理

用水喷砂处理或喷石英砂处理，将表面氧化及污物清理干净即可。

2 模具设计及改进

2.1 模具设计方案

棘轮外形主体结构是典型的回旋体。棘轮由轮毂、轮辐、轮辋、棘齿及棘轮大小轮绳槽组成。轮毂为圆形，中间的轴孔采用机加工成形；轮辐是十字交叉形状；轮辋为圆弧过渡至平面。外圆是一棘轮齿及深为15 mm的棘轮槽。轮中心两侧面对称凸起有带轮槽的小圆形，分模面可以采用通过轮辐中心的平面作为分模面。模具可做成上下两开模，但轮槽无法形成，必须另外下芯形成。根据低压铸造的特点，可采用金属圆环型芯形成轮槽。这样模具主要由上下模及两侧半圆环型芯等四块模具形成。而对称凸起有带轮槽的小圆形上的轮槽仍无法直接形成，根据其特点，可以采用砂芯形成。浇冒口直接开在轮毂上(也可以在靠近棘齿的轮辐端增加两个浇冒口)，轴预留孔用中心芯(分流锥)形成。整个轮的关键是：外形圆度、平整度，轮槽的直径、形状，轮槽与轴孔的同轴度的控制。

2.2 工作过程及模具改进

2.2.1 工作过程

低压铸造的工艺设计必须充分考虑棘轮本体金属模低压铸造的顺序填充(自下而上)和顺序凝固(自上而下)的特点，根据铸件形状、壁厚及性能要求进行合理设计。因为低压铸造不太适合于壁厚、体积变化非常大的铸件，对那些因功能设计而不满足形状设计要求的零件应尽量避免。浇口应选择在能够确保尽可能大的横截面的部位。离浇口比较远且体积比较大，不能满足顺序凝固条件的地方，可设置过渡浇道，以起冒口补缩效果口。在低压铸造时，因液体金属的填充条件得到改善，且保温好并直接自密封坩埚进入铸型，故浇注温度一般比重力浇注低10～20℃。如果是铝合金，浇注温度在680～730℃之间。金属液浇注温度应严格控制，波动不能太大，否则将影响生产效率及铸件品质。当浇注温度偏高时，铸件可能产生内浇口不能凝固而回流，形成内浇口空洞缺陷，还有可能产生飞边、缩孔/缩松、粘砂(有砂芯时)等缺陷。若温度偏低，则有可能产生充型不良、冷隔及内浇道凝固堵塞等。

2.2.2 模具的改进

（1）分型面的选择

棘轮本体金属模低压铸造铸件分型面的选择遵循一般的铸件分型设计原则，此外还应考虑：若采用金属型，在开模后，应使铸件留在上模或侧模中，便于顶出铸件；分型面的选择应有利于设置浇道和气体排出。

（2）浇注系统设计

相比较而言，棘轮本体金属模低压铸造的浇注系统不像其他铸造成形方法那样复杂，但在决定浇口位置、数量、大小时，必须使铸件符合如前所述的顺序凝固原则。同时，要确保合适的浇口截面积，以避免浇注时形成紊流。

（3）模具设计

棘轮本体是关键零部件，对产品的模具设计要求相对较高。对本铸件来说，主要表现在一些部位厚度不均，如果调整过多又会造成变速箱内各零件相互碰撞，造成本铸件几何尺寸不合格，甚至超差比较大。在未使用铸造卡板前，公司每月有15件左右的箱体铸件因几何尺寸不合格而报废，通过使用铸造卡板后，现在每月仅有1～2件箱体几何尺寸不合格而报废，而这些箱体报废的原因主要是型板、模具、砂箱、烘芯板磨损与变形造成的。通过几年的使用，我们认为铸造卡板设计制作简单，投入少、效果好。

低压铸造时，金属液凝固是自上而下，故铸件的补缩应自下而上，最后通过浇道实现。对于棘轮轮毂处，由于热节处于分型面附近，铸件缩松现象比较突出。因此，铸件在铸型中位置的安排、加工和工艺余量的确定，冷铁的放置应该使铸件远离浇口处先凝固，靠近浇口处后凝固，浇口本身应该最后凝固。

金属型模腔的涂层主要起到两个方面的作用：一是蓄热，即防止金属液体直接冲刷型腔而产生型腔局部过热及铸件产生冷隔等缺陷；二是导气，由于涂层颗粒间有间隙，可使型腔中的部分气体通过涂层间隙充分逸出。实践证明，模具温度控制在250℃左右时进行喷涂，涂料和模具的粘结最为牢固。对棘轮本体薄壁大形铝铸件，涂层厚度控制在0.2～0.3 mm，效果最佳。

根据以上工艺细化和模具改进，成功批量生产出如图3所示产品实物。为我厂打开铁路市场奠定了基础。

图3 棘轮本体实物图

3 结束语

低压铸造由来已久，被广泛的应用在各个工业产品的生产中，棘轮本体中的低压铸造是一个精细的工程，这其中牵扯到包括工艺的制定和细化，模具的设计和改进等等，虽然现在的工艺越来越完善，然而这中间还存在着很多问题仍需不断改进和完善，相信随着科技的不断发展、人们的不断探索，低压铸造会更完美的应用于棘轮本体的铸造中。

[1]钱国统，金柳军.双动式棘轮牵引机构设计与应用[J].上海有色金属，2008，（2）：73-75.

[2]赵正雄.棘轮的铸造工艺设计[J].铸造技术，2003，（1）：22-23.