鐵路車(chē)輛的搖枕、側(cè)架是車(chē)輛走行部位的關(guān)鍵零部件，其質(zhì)量?jī)?yōu)劣直接影響到鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩ｋS著鐵路車(chē)輛的提速，搖枕、側(cè)架的質(zhì)量要求也越來(lái)越高。由于搖枕、側(cè)架復(fù)雜的薄壁形結(jié)構(gòu)，鑄造過(guò)程中很容易產(chǎn)生變形、裂紋等方面的缺陷。但一個(gè)合理的鑄造工藝往往需要進(jìn)行反復(fù)多次的“設(shè)計(jì)、試澆注、校合、優(yōu)化設(shè)計(jì)”循環(huán)過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)，這往往需要耗費(fèi)太多的人力物力和時(shí)間。而計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬可以將這一過(guò)程大大地簡(jiǎn)化，既節(jié)約了成本，又能大大縮短工藝優(yōu)化的時(shí)間，所以用數(shù)值模擬武裝現(xiàn)在相對(duì)落后的鑄造工業(yè)勢(shì)在必行。
1 搖枕、側(cè)架概述
    搖枕、側(cè)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，箱形斷面，屬于大型薄壁件。在鑄造的過(guò)程中，由于壁厚不均，冷卻時(shí)不可能同時(shí)凝固，局部熱應(yīng)力大，形成熱裂紋的傾向性大。而且由于鑄件的輪廓較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鑄件容易產(chǎn)生較大的變形，容易產(chǎn)生裂紋。裂紋大多外形曲折且不規(guī)則，表面寬而內(nèi)部窄，從表面向內(nèi)部延伸；斷面呈氧化色，無(wú)金屬光澤；裂紋清除后，被清除部位無(wú)夾砂、氣孔、縮孔等其他鑄造缺陷。從裂紋的這些特征可以判斷，該裂紋屬鑄造熱裂紋。搖枕、側(cè)架重點(diǎn)檢測(cè)部位如圖l、2中A、B部位所示。

圖1 側(cè)架重點(diǎn)檢測(cè)部位示意圖

圖2 搖枕重點(diǎn)檢測(cè)部位示意圖

2 熱裂紋數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀
    目前進(jìn)行熱裂預(yù)測(cè)的模型可以簡(jiǎn)單的歸納為以下三種模型：
    (1)基于一維受阻模型的熱裂模擬；
    (2)基于凝固條件與補(bǔ)縮能力的熱裂模擬；
    (3)基于鑄件高溫應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的熱裂模擬。
2.1 鑄件熱裂的一維受阻模型
    鑄件熱裂一維受阻模型是從集中變形及兩端約束這一思路出發(fā)的。Isobe，T.用熱節(jié)區(qū)變形量和合金臨界變形量隨溫度的變化及其相對(duì)大小來(lái)判斷熱裂形成；Kubota，M.提出，由合金高溫力學(xué)性能決定的臨界參數(shù)與冷卻條件決定的熱裂參數(shù)的比較來(lái)分析熱裂，或者用鑄件中心部冷卻速度與外緣冷卻速度之比作為熱裂判據(jù)。一維受阻模型的熱裂模擬主要考慮了試棒的兩端受阻的熱裂情形，這和實(shí)際情況還有相當(dāng)?shù)木嚯x。
2.2 鑄件熱裂的凝固與補(bǔ)縮模型
    熱裂的凝固補(bǔ)縮模型主要是從鑄件的凝固或補(bǔ)縮狀況來(lái)預(yù)測(cè)鑄件的熱裂紋，以Clyne.T.W問(wèn)和Feurer.U閻的工作為基礎(chǔ)。Clyne.T.W將凝固的過(guò)程分為應(yīng)力松弛階段和易裂階段。由此根據(jù)應(yīng)力松弛階段和易裂階段的時(shí)間間隔之比來(lái)確定熱裂產(chǎn)生的可能性。Feurer.U認(rèn)為熱裂是因合金的凝固收縮不能被充分補(bǔ)縮而形成的。他采用多孔介質(zhì)中流動(dòng)的Darcy理論來(lái)計(jì)算枝晶間流體的補(bǔ)縮能力，并將求得的補(bǔ)縮能力和合金的凝固收縮進(jìn)行比較，提出若補(bǔ)縮能力大于凝固收縮則不產(chǎn)生熱裂，反之則有熱裂產(chǎn)生。
2.3 基于鑄件應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的熱裂數(shù)值模擬
    基于應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的熱裂模型多通過(guò)開(kāi)發(fā)有限元軟件或借助于大型工程有限元軟件來(lái)模擬研究高溫應(yīng)力應(yīng)變行為。
3 試驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果
    試驗(yàn)鑄件結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)了5根從300mm到900mm長(zhǎng)度不等的板條。板條兩端通過(guò)橫澆道和塊狀結(jié)構(gòu)，使其凝固收縮受阻。板條越長(zhǎng)，凝固收縮所產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變?cè)酱?，越容易在板條和橫澆道相交處的熱節(jié)部位產(chǎn)生熱裂紋。試驗(yàn)根據(jù)上述熱節(jié)處出現(xiàn)裂紋的情況來(lái)最終確定ZG25MnNi的鑄件在1565℃的條件下熱裂傾向的臨界值。
    試驗(yàn)以尋求搖枕、側(cè)架熱裂傾向的臨界值為目的，采用與搖枕、側(cè)架澆注工藝相同的材料、鑄型和澆注溫度。具體的試驗(yàn)條件如下：
    澆注溫度：1565℃；
    鑄件材料：ZG25MnNi；
    鑄型材料：有機(jī)酯水玻璃砂；
    冷鐵材料：A3鋼。
    試驗(yàn)方案工藝圖如圖3所示。圖4、5、6為鑄件的實(shí)物圖。圖4為兩箱鑄件的宏觀外形圖，圖中用紅線標(biāo)示了鑄件宏觀變形的主要部位。圖5、6分別為試驗(yàn)件1號(hào)和2號(hào)裂紋區(qū)域的特寫(xiě)圖，圖中紅線標(biāo)示的范圍為肉眼可觀察到的存在熱裂紋的區(qū)域。

圖3試驗(yàn)方案工藝圖

圖4 兩箱鑄件宏觀外形圖

圖5 試驗(yàn)件1號(hào)裂紋區(qū)域特寫(xiě)圖

圖6 試驗(yàn)件2號(hào)裂紋區(qū)域特寫(xiě)圖