车钩是连接铁路机车与车辆之间的关键部件，它直接关系到列车的运行安全和可靠性。随着我国铁路运输不断向高速和重载方向发展，列车的纵向冲击力急剧增加，车钩钩舌接触面摩擦磨损严重，钩舌的性能已越来越难以满足使用的要求，严重影响到铁路运输的安全和利益[1-3]。钩舌是车钩的关键部件，其内在质量直接关系到铁路货车运行安全及运用部门的经济效益[4]。我国先后设计制造了13和16号钩舌，有必要对钩舌生产工艺进行优化设计，以提高其生产效率及质量。本文以双牵引钩舌为研究对象，针对钩舌结构特点，运用Pro-E软件对钩舌进行三维建模，在此基础上对其他钩舌传统铸造工艺进行优化，新工艺采用通用外型设计，型芯内包工艺形成铸件本体，提高生产效率，保证铸件精度。
1 铸件的结构特点及工艺
目前，国内外使用钩舌种类较多，但其结构具有相似性，铸件重40~50kg，轮廓尺寸相差不大。某钩舌产品结构如图1，钩舌表面大多以光滑圆角复杂结构形成，内腔有复杂的减轻结构，钩舌关键受力部位在S面部位，且S面的工艺要求为直面，铸造难度很大。国内钩舌材质为C级钢，国外采用AAR标准的E级钢，生产方式采用自动化水玻璃自硬砂造型线生产，冶炼采用20吨高功率偏心底碱性电弧炉和25吨LF钢包精炼炉双联工艺，采用氧化法进行冶炼。钩舌传统铸造工艺如图2所示。工艺为：一型8件，四件为一组，钩舌中间部位设计为分型面，每组中间放置一个Φ150mm×300mm的保温冒口，起补缩集渣作用;设计一个直浇口，一条横浇道，每四件分流一条横浇道，每件钩舌再设置一条内浇道;设计5个芯子形成内腔和S面结构，S面及上下牵引颈部放置铬铁矿砂20～30mm，内腔芯子用覆膜砂制芯。
2 通用外型工艺设计
新工艺设计为多种钩舌使用同一外型，以双牵引钩舌为基础，综合分析多种钩舌尺寸，设计外型工艺，设计通用外型。外型的轮廓尺寸要包含所有在制钩舌的轮廓尺寸，表1为对现有在制钩舌轮廓尺寸的统计。通过表中钩舌轮廓尺寸的对比，结合生产方式、工装尺寸及总体布局情况，将外型尺寸定为372mm×308mm×410mm。通用外型工艺如图3所示，外型设计为上下盒装结构，铸件本体采用型芯内包结构形成，形成钩舌外轮廓的型芯设计为No.1和No.4芯。形成不同钩舌的No.1和No.4芯轮廓尺寸相同，均为372mm×308mm×410mm，内部的工作面尺寸因不同钩舌设计即可。生产时，不同钩舌型芯下到通用外型中形成对应的钩舌，钩舌内腔由No.2和No.3芯形成。模型分型面和型芯分型面采用不同平面设计，分型面设计如图4所示，钩舌中心为型芯分型面，而模型分型面比型芯分型面高10mm，目的是当No.1和No.4芯对接时，用来固定上面的No.4芯，保证型芯的稳定性。另外，No.1和No.4芯之间增加砂型退让孔定位，加强型芯的定位，提高铸件精度，如图3b所示。
3 三维建模及外型布置
根据工艺设计进行三维建模，图5为新工艺模型立体图，图6为工艺平面布置图。为了保证设计的准确性和可靠性，对铸造工艺进行三维建模，结合现场生产工装对外型、浇道、冒口进行合理布置。由图可见，浇道设计与传统工艺相同，采用一型8件布置，每4件为一组，中间设置共用冒口定位，每个外型设计两个退手槽，方便生产时下芯，合理运用型板空间，实现生产资源的利用最大化。图7a、b为No.1和No.4芯盒的三维图，型芯与外型四周间隙为0.2mm，No.1和No.4芯4个顶点处纵向为圆角设计，而且比外型圆角大，减小下芯时的磨损，也可用作集砂槽。
4 生产验证及通用外型的优点
4.1 提高钩舌尺寸精度，降低成本
图8为新旧工艺外型和型芯砂型。传统钩舌工艺设计由外型和型芯形成钩舌本体，旧工艺中除“S”面外，钩舌其余外轮廓本体均由外型形成，4个芯子形成内腔，所以各种钩舌有其对应的外型，存在型种类多、制作费用大的问题。另外，不同外型生产钩舌时，易受到造型、下芯、合箱等工序对钩舌尺寸精度的影响。新工艺设计为型芯内包形成铸件本体，消除了旧工艺模型生产时因砂型不稳定造成的产品精度问题，只需在制作时保证No.1芯和No.4芯结构尺寸的准确性，验收合格后即可保证钩舌尺寸精度，外型对钩舌的精度影响很小，可以有效避免传统工艺钩舌外轮廓受生产影响造成的精度问题。此工艺在钩舌产品上进行推广，可提高钩舌生产效率，降低生产成本。
4.2 实现生产快速换型，提高生产效率
新工艺生产过程如图9所示。通用外型的设计，可实现多种钩舌快速换产，采用通用外型同时生产多种钩舌时，不同钩舌不用换型，只需将对应的型芯放到通用砂型即可生产出对应的钩舌。图10为新旧工艺生产时各工序所需时间对比。新工艺无需换型，各工序操作统一，外型不用刷涂料，型芯改为线下刷涂料，线上只需很少的涂料补刷;旧工艺设计5个芯子，而新工艺共4个芯子，芯子总数比传统工艺少，下芯操作简单，提高了生产效率。而采用旧工艺时，存在型种类多，钩舌的多种类，小批量生产特点难以适应自动化生产线的节奏，生产不同钩舌时需要换型，导致生产时浪费大量换型时间，线上造型后砂型需要刷涂料，下芯复杂，芯子定位效果差，浪费生产时间。表2为采用新旧工艺生产不同钩舌时现场生产效率统计。表中以一天同时生产4种钩舌进行统计，每天生产8小时，可以看出不用换型时生产效率得到很大提高。
4.3 生产准确定位
从图4和图6可看出，通用外型设计了2种定位方式。(1)分型面定位：从图4可以看出，型分型面比型芯分型面高10mm，用来固定No.1芯和No.4芯。(2)芯子定位：型芯定位方式如图11所示，图11a中No.1芯和No.4芯之间制作砂型退让孔，合芯时直接固定型芯位置。另外，内腔芯也可直接通过No.1芯和No.4芯子上的定位孔固定，将内腔芯下芯头插入No.1芯定位中，如图11b所示。当No.1和No.4芯合芯时，将No.4芯上的定位孔固定在内腔芯上心头，如图11c所示。双重定位可以防止合箱不稳带来的芯偏问题，可以有效保证铸件尺寸精度。而旧工艺所有芯子只靠上下砂型合箱后定位，容易造成合箱不稳带来的芯偏问题。
5 结论
(1)钩舌新工艺设计，实现了多种钩舌外型通用，适合多种类型、大批量钩舌的生产，不同钩舌的生产转换实现零换型，统一了生产过程，可减少线上生产工序时间，提高生产效率，降低生产成本。(2)新工艺采用型芯内包形成铸件本体，采用分型面定位和型芯自身定位方法，消除了旧工艺模型生产时因砂型不稳定造成的产品精度问题，提高了钩舌精度。
参考文献：
[1]孙建伟，高建华.C级钢车钩、钩尾框、钩舌皮下气孔的原因分析[J].机车车辆工艺，2003(6)：44-45.
[2]杜云慧，张励忠，刑书明，等.钩舌常见失效形式与机理[J].金属热处理，2003，28(6)：48-51.
[3]朱海龙，杨军，陈美玲，等.13A型车钩钩舌铸件工艺设计及优化[J].铸造工程，2015(3)：26-29.
[4]刘涛，董中友，武永亮，等.铁路货车钩舌铸造工艺优化[J].铸造，2016，12(65)：1234-1237.
《钩舌通用高精度外型工艺设计研究》来源：《铸造》，作者：韩宝 李卫国 杜志强 李志杰 于海洋 张晓敏
