齿轮箱动力传动装置是高速动车组的核心部件之一，其工作性能的好坏直接影响到高速动车组运行的可靠性和安全性。箱体作为传动装置的关键零部件，其质量和性能至关重要。
笔者所在单位从 2010 年开始了动车齿轮箱国产化研究，采用树脂砂低压铸造工艺 [1]，先后自主研制了 CRH380A 齿轮箱、CRH3 型系列齿轮箱及时速350 km、250 km 中国标准动车组齿轮箱等，实现了15000 余套批量供货，产品质量达到国外同等水平，打破了国外技术的垄断。
树脂砂低压铸造存在劳动环境较差、造型材料消耗多、人工操作工序多且过程控制难度大、机械化自动化程度低、清理打磨工作量大等缺点。相比砂型铸造，金属型低压铸造具有生产效率高、生产成本低、质量一致性好、劳动强度低、生产环境优等优点，因此广泛应用于大批量生产中小铸件，如轨道交通棘轮、轴箱盖等，以及汽车类铸件，如缸体、缸盖、轮毂、副车架、电机壳等等。由于高铁齿轮箱铸件批量不大且产品质量要求高，模具成本高，工艺开发难度大，总体研究较少。
笔者单位自 2013 年开始研发动车组低压金属型铸造工艺 [2-3]，陆续开发了 CRH380A、CRH380B、 CR400AF、CR400BF 等箱体，本文介绍了高铁齿轮箱金属型低压铸造开发难点，对试制中出现的气孔、缩孔缩松、针孔等问题进行研究并采取有效解决措施；结合金属型工艺要求，自主设计、建设了一条先进的年产 1 万套高铁齿轮箱金属型低压铸造生产线，已批量投入生产，保证了金属型箱体铸造质量的稳定性和可靠性，率先实现了动车齿轮箱由砂型工艺向金属型工艺的升级换代。
1 国内外高铁齿轮箱技术要求及铸造工艺简介
高速动车组齿轮箱类型有两种，分别是欧系的分体箱和日系的整体箱，分体箱由上、下箱体组成，整体箱由箱体、箱盖组成，材质均选择力学性能较高、铸造性能优良，同时具有较好抗氧化和抗腐蚀能力的AlSi7Mg0.3。高速动车组箱体技术要求关键部位如合箱面、法兰、吊挂部位需进行X 射线检查，内部缺陷的评定按ASTM E155-2000 二级进行；表面进行渗透探伤，不允许存在裂纹等危害性缺陷；非加工表面上, 不允许单个孔洞的最大直径和深度超过1.5 mm；加工面针孔直径不大于1 mm，且数量不超过ISO 10049 四级。
国外生产高铁齿轮箱的厂家如日本的住友金属、东洋电机，德国的弗兰德、福伊特、采埃孚等，主要采用黏土砂重力铸造。箱体重力浇注位置均采用平躺（图1），在法兰等厚大部位设置冒口，关键部位通过冷铁激冷。黏土砂铸造表面质量一致性较好，但也存在针孔超标、局部砂眼气孔等问题，在运行中甚至出现裂纹失效问题。国内以笔者所在单位为主的生产单位主要采用树脂砂低压铸造，文献[1] 详细介绍了高铁齿轮箱的技术要求和砂型低压铸造的工艺研究情况，不再赘述。利用齿轮箱金属型低压铸造工艺，据悉仅德国大陆公司开发出了欧洲高速动车组生产铝合金齿轮箱体。国内少数企业也在开发动车组金属型低压齿轮箱体，亦未实现批量化供货。
图 1 齿轮箱重力铸造工艺示意图
Fig.1 The gravity casting process of high-speed rail gear box
2 金属型低压铸造工艺概述
笔者所在单位已实现中国标准动车组齿轮箱CR400BF 的金属型低压铸造批量生产，铸件工艺出品率达到 50% 以上；外模为 H13 耐热模具钢，主体芯采用三乙胺冷芯，通过水基涂料浸涂，操作过程简便，生产效率高，铸件尺寸精度高。
铸造工艺设计，采用垂直分模立浇的方案，便于直接下芯、合模；为保证充型快速平稳，设计开放式浇注系统，其比例为∑ 直浇道∶∑ 横浇道∶∑ 内浇道=1 ∶（1.5 ～2）∶（2.5 ～3.5），通过合箱面及法兰采取多个内浇口同时注入，保证铝液充型温度且分散热节减少针孔倾向；顶部厚大部位设置冒口，局部通过泥芯冷铁和外模铜块气冷工艺激冷，确保关键部位的内在质量和力学性能。
在低压铸造中，正确地选择和控制浇注工艺参数是保证获得合格铸件的关键。本文通过大量试验研究，浇注温度控制在 715~740 ℃，铝液的最大上升速度约为30 mm/s[4]；保压压力为 0.09 MPa，这样既能保证铸件的致密度，又能避免泥芯产生机械粘砂。保压时间为650~700 s，在保证铸件补缩良好的情况下，使金属液尽量多地回流。
3 金属型低压铸造高铁齿轮箱工艺难点及解决
在金属型低压铸造铝合金齿轮箱开发中，常见的铸造缺陷为气孔、缩孔缩松、针孔缺陷，针对具体的问题通过分析并制订相应的措施进行改进，验证有效后批量应用。下面逐一进行分析。
3.1 气孔
由于金属型模具型腔排气条件远弱于砂型型腔，金属液交汇形成的气泡难以及时排出从而形成气孔，该类气孔一般距离铸件表皮10 mm 以内，多存在于铸件顶部及散热筋顶部处（图2），成为金属型工艺开发的一大难点。金属型腔的良好排气系统是避免气孔的重要措施。
图 2 铸件近表面气孔
Fig.2 The blowholes on the casting surface
利用 MAGMAsoft 进行充型流场和温度场模拟（图3），从充型速度结果看，由于截面积的减少，局部充型速度可达 0.3 m/s 左右，铝液交汇处易导致卷气产生；同时，铝液充型温度距离浇口越远，温度越低，顶部液面前沿温度低于 612 ℃，处于 AlSi7Mg0.3 液 - 固两相区。综合以上原因，加之金属型模具本身排气困难，铸件表面结壳后气体难以排出，从而憋在铸件内部形成气孔。
图 3 箱体充型速度及温度模拟
Fig.3 The filling simulation of high-speed rail gear box
为解决气孔问题，主要从两方面着手，一是通过在铸件顶部设置溢流冒口、模具上设置排气缝，以便于气体的排出；其次通过近顶部设置内浇口从而整体提高顶部铝液充型温度，同时严格保证模具温度和浇注温度，从而延长枝晶网形成时间和型壁结壳时间，使气体能够有足够时间从金属液中逸出。
3.2 缩孔、缩松
金属型低压铸造主要通过浇注系统和冒口进行补缩，同时通过设置合理的冷铁、局部铜块及风冷，实现顺序凝固。在金属型低压铸造过程中温降迅速，很快凝固切断了压力的传递，使得远离浇、冒口的热节部位难以得到有效补缩，从而产生缩孔、缩松，如图 4 所示，
图 4 齿轮箱缩孔缩松部位
Fig.4 The areas of porosity and shrinkage on gear box
齿轮箱出现的缩孔、缩松主要在顶部凸台、法兰及局部厚大部位。
文献[5] 提出了与低压铸造条件下压力、温度梯度和冷却速度相关的缩松预测判据，当某部位凝固至临界固相分数fsc 时，𝐺𝐺sc/√𝑅𝑅sc/𝑃𝑃sc > 𝐾𝐾c（Kc 为仅与材质有关的常数，Gsc 为凝固至fsc 时的温度梯度，Rsc 为凝固至fsc 时的金属液压力），则不会发生缩松缺陷，由该式可以看出提高保压压力、减少冷却速度、增大温度梯度可减小缩松倾向。保压压力提高至0.09 MPa、模温控制在250 ℃以上，法兰及合箱面等关键部位均通过浇口进行补缩，远离浇冒口的热节部位采用铜块激冷，由于铜的导热系数是模具钢的10 倍，同时背面通风可以显著加强该部位的温度梯度，从而延伸浇冒口补缩距离。齿轮箱局部薄壁部位率先凝固导致保压压力通道关闭，靠近顶部的厚壁部位仅仅依靠冷铁等激冷措施是避免不了缩孔、缩松的，必须有补缩来源，可以通过设置冒口解决。为了保证冒口铝液最后凝固，一般采用发热冒口或砂冒口。工艺优化后的模拟缩孔缩松如图5 所示, 关键部位无缩孔缩松，仅在部分非关键筋交接处有小缺陷倾向，经试制验证符合技术要求。
3.3 针孔
低压金属型铸造由于有一定压力且凝固速度快，氢来不及析出就以原子态固定在金属中 [6]，针孔倾向相对
图 5 齿轮箱缩孔缩松凝固模拟
Fig.5 The porosity simulation of high-speed rail gear box
砂型较小。生产中模具及泥芯等均经过烘烤后直接使用，氢主要来源于铝液。AlSi7Mg 合金本身具有严重的氧化和吸氢倾向，由于氢气在铝液和固态铝中溶解度不同，氢在铝合金溶液凝固界面前沿偏析很严重，分配系数大约为 0.05，相当于富集了 20 倍的氢，导致在最后凝固部位氢气孔的形核和生长，从而产生针孔 [7]，图 6 为齿
轮箱加工后的针孔照片，位于浇冒口等最后部位。
图 6 针孔形貌
Fig.6 The pinhole on the machined surface
生产中熔化好的铝液经化铝炉出至浇注坩埚炉，在坩埚炉内精炼除气后直接浇注，避免二次倒包增加吸气针孔问题。精炼除气过程非常重要，可以显著减少铝液
库，解决了铸造质量记录不完善、铸件质量问题追溯分析困难等问题；充分考虑了熔化、精炼除气、浇注工位的烟尘和VOC 处理问题，完善设计了各工位的除尘罩壳和两级VOC 处理，确保车间除尘达到国家及地方环保政策要求；将换模小车和应急取件小车采用模块化配合，使用时将小车可吊运过来，不用时吊走，灵活方便，节省空间。
生产线每班仅需5人，每台低压机效率为25 min/件，截止目前，已批量生产 500 余套并装车交付运行，在国内外率先实现较大体积的动车组铝合金齿轮箱铸件低压金属型大批量生产，工艺技术达到领先水平。
中的氧化夹杂和含氢量，从而有效减少针孔产生倾向。采用精炼除气机对转运包中的铝液进行精炼及除气，除气时间要求达到 20 min 以上。使用密度当量仪，根据密度当量法对除气过程进行控制，规定铝液密度当量 DL应小于 2%，ρ80 ≥ 2620 kg/m3 才能使用，且铝液必须在 2h 内使用完毕，否则重新精炼除气。过多的 Sr 加入也会增加铝液吸气，采用变形 Al10Sr 合金棒可提高吸收率，且炉前 Sr 含量不超过 0.03% 为宜。
3.4 模温控制
对金属型低压铸造来说，模温控制至关重要，过高过低均会导致铸造缺陷的产生。齿轮箱金属型模具较厚大，如何保证快速升温及温度均匀是个难题。通过不断试验，开发出专用的烘模工装，采用多喷嘴均匀烘烤，模温可在2 h 内从室温升至250 ℃以上，且模温较均匀，避免了每天生产首件浇注报废，对于非连续生产的高铁齿轮箱节约了较多成本。由于模具较厚大，单个产品浇注时间25 min 左右，模温在连续生产时不会显著上升，生产中有异常中断可能会导致下降，配备了专门的模温控制系统，低于设定温度自动加热，避免模温低于设定值。
4 金属型低压铸造生产线设计
为了满足高铁齿轮箱金属型低压铸造批量生产，笔者单位于2019 完成新建一条可年产10000 套的先进铸造生产线，布局如图7 所示。生产线主要设备包括：1.2t/h 连续化铝炉1 台，1 t 坩埚熔化炉1 台，精炼除气设备2 套，低压铸造机4 台，机器手臂2 台，表干炉1 台，并配有除尘系统 、升液管保温炉等配套设备。此外，生产线配备光谱仪、热分析仪、密度当量仪等先进检测设备，能够对铝液的成分、金相组织、含氢量进行严格把关，保证铸件内在质量。
整条生产线具有智能化、信息化和绿色化的特点，利用数字化模拟技术和3D 打印技术进行工艺设计、优化及验证；由转运小车自动运输泥芯和铝液，大大地减少了行车吊运；创新设计了泥芯底座框，用于泥芯的整体组装，机器人夹取泥芯底座框，成功地实现了下芯取件的精确定位；低压机实现“一键浇注”及自动开模，生产过程由信息管理系统进行实时监控和记录管理，可实现齿轮箱生产计划的下达，低压铸造能耗、铸造工艺参数、铝液检测数据、设备状态等信号实时采集、存储和分析等功能，可添加设备配件、生产物料、产品质量、人员数据
图 7 金属型低压铸造生产线布局示意图
Fig.7 The layout of low-preessure die casting production line for gear box
5 产品实物验证
通过10 余套CR400BF 箱体重量、三维全尺寸扫描、射线检测、渗透及气密性试验、金相及力学性能检测、实物解剖等，验证结果均符合技术条件要求，且与砂型铸件比较质量优势明显，对比结果见表1，金属型箱体表面光洁度高，具有高度一致性，无冷铁痕迹，无涂料刷痕，金相组织更加细化，外观及金相组织如图8 所示，可见金属型铸造不仅省去了外模砂型，符合绿色环保的要求，而且产品性能和外观质量更加优良。
表 1 动车组齿轮箱低压金属型铸件与砂型铸件质量对比
Tab.1 The quality comparison between metal mold casting and sand mold casting
6 结论
开发出了高铁齿轮箱金属型低压铸造工艺，实现了批量生产；制订了一系列有效的措施，成功研制出350 km 中国标准动车组齿轮箱金属型低压铸造工艺；结合金属型工艺要求及铸造绿色化、智能化要求，设计了一条金属型铸造生产线，并投入运营，完成了高铁齿轮箱铸造工艺的升级换代。
