摘要
分析了轨道交通关键零部件铸件壁厚、肋、铸件壁过渡和连接等结构设计对铸件质量的影响。介绍了结构设计在轨道交通关键零部件中的良好实践。最后总结了需要进一步开展的工作。
轨道交通关键零部件，包括轨道交通装备配套的机械传动齿轮箱、转向架摇枕和侧架、盘型制动装置、车钩缓冲装置、大功率柴油机等铸件，一般结构比较复杂，承载复杂，在装备中作用关键，产品技术要求高。轨道交通高品质铸件，受铸造工艺水平、工艺装备、生产过程质量控制等因素影响，零件结构设计也是影响铸件质量的一个重要因素。本文从以下几个方面阐述轨道交通铸件结构设计对铸件质量的影响。
1 铸件壁厚设计对铸件质量的影响
在设计铸件壁厚时，要考虑合金液的流动性和铸件的轮廓尺寸。为了避免铸件浇不足和冷隔等缺陷，应使铸件壁厚的设计不小于最小壁厚。图1为关键零部件A，材质为EN-GJS 400-18LT，有一个挡石板结构，其壁厚为5 mm。该产品设计评审阶段，铸造技术人员对该处壁厚提出建议——由5 mm修改成不小于8 mm未被采纳。最终导致浇注过程中该部位出现浇不足，流转过程中因该处壁薄发生变形、缺损，而且废品比例较高，如图2所示。鉴于此，设计人员最后将挡石板的壁厚调整为8 mm，未发生上述问题，结构完整。
图1 挡石板局部结构
图2 挡石板发生变形、缺损
2 肋设计对铸件质量的影响
在轨道交通关键零部件的结构设计过程中，为实现零件的轻量化，同时又不降低零件的结构强度，在铸件结构设计中大量采用肋。图3为关键零部件B，材质为QT450-10，设计过程中，在铸件的外壁上采用十字交叉的肋，与肋连接的铸壁厚度为10 mm。十字交叉肋形成多个热节，容易产生缩松等铸造缺陷，铸件质量难以保证。同时，排布过密，不利于造型起模，外模需要增加泥芯，操作麻烦，打磨清理工作量大，外观一致性难以保证。因此更改了肋的厚度设置不合理的设计，使肋的厚度尺寸小于铸件的壁厚。
图3 十字交叉的肋
3 铸件过渡连接的设计对铸件质量的影响
一般情况下，铸件壁的断面尺寸不可能完全相同，铸壁有形状各异的接头。在接头连接处，凝固速度慢，容易产生应力集中、裂纹、变形、缩孔、缩松等缺陷。关键零部件C（客户设计）材料为ZL 101A，设计如图4所示的铸件壁过渡和连接。生产前评审过程中认为该部位铸造工艺性不佳，请客户修改该部位结构设计，未获得客户批准。
从铸造工艺角度分析，图4方框部位为多处箱壁汇交处，存在热节。在凝固过程中，该部位较其周围其他部位而言，四周壁厚较薄先行凝固，其他部位后凝固，因热节孤立存在，凝固过程缺少金属液补缩，最终导致该部位产生显微缩松，见图5。该零件在长期的服役过程中，因该部位的缩松缺陷，降低该区域的有效承载面积，还增加应力集中系数，降低疲劳寿命，最终出现疲劳失效。
图4 铸件壁的过渡和连接
图5 铸件连接壁处的金相组织
4 结构设计在轨道交通关键零部件中的良好实践
鉴于结构设计对铸件质量的影响等，笔者所在的公司近年制定了《产品工艺性审查》企业标准，其中规定了产品工艺性审查的对象和要求，审查目的，审查时考虑的主要因素和不同设计阶段的审查内容等。针对自主设计的产品，设计过程应进行工艺性审查，产品图样设计定型前应进行工艺会签。外来产品图样在生产前应进行工艺性审查，与外来文件的评审同步进行。技术文件一般采用CBC（clause by clause）响应书评审，图纸标题栏、技术要求逐条响应书如图6所示。另外，对于设计零件结构的铸造工艺性，提出了包括铸件壁厚、加强筋等6条要求。
图6 图纸标题栏、技术文件逐条响应书
研究发现对于中等以上复杂程度的产品而言，40%的零件失效是直接由于设计不当造成的，30%归咎于现场管理，只有大约30%归咎于加工问题。产品设计要遵循“标准化、模块化、系列化、通用化”原则。笔者所在的公司在设计上开展这方面的尝试，以关键零部件E为例，铸件材质为QT 450-10，该铸件实现在多个项目上应用，仅铸造模具费用一项节省100多万元，进行多项工艺改进、提升，工艺出品率提高近10%，产品综合成品率提升约5%，同时缩短设计验证周期和生产周期。通过上述活动的开展，公司轨道交通关键零部件的工艺性更好，铸件产品的实物质量更优，并取得显著的经济效益。
5 结束语
轨道交通关键零部件的结构比较复杂，结构设计的优劣直接影响着铸件的质量好坏。结构设计直接取决于零部件的使用功能，在满足使用功能的前提下，具备较好的铸造工艺性，这样制造出来的铸件质量才能得到保障，才能保证零部件实现良好的使用功能。为实现这样的目的，需做好以下工作。
（1）完善产品工艺性审查制度，可将工艺性审查列为设计过程和外来文件评审过程中的停止见证点。同时，明确工艺会签人员的资质，根据产品族设置工艺负责人，保证工艺性审查的质量。
（2）产品设计上，继续遵循“标准化、模块化、系列化、通用化”原则。将前期设计过程中的经典案例、失败教训等汇编成案例，在一定范围内进行共享，开展员工内训、应用学习。
作者：严运涛，穆彦青，陈 炜
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