基于樹(shù)脂砂鑄造工藝的風(fēng)電設(shè)備研究綜述

郭偉

摘 要：通過(guò)分析大型風(fēng)電設(shè)備本身的結(jié)構(gòu)特征，在樹(shù)脂砂鑄造工藝條件下，對(duì)大型風(fēng)電設(shè)備鑄造所面臨的各種問(wèn)題進(jìn)行分析和論證。首先分析大型風(fēng)電設(shè)備鑄造過(guò)程中的夾渣和縮孔等問(wèn)題，進(jìn)而根據(jù)樹(shù)脂砂鑄造工藝的工藝特征來(lái)解決，強(qiáng)調(diào)鑄造過(guò)程的鑄造工藝和質(zhì)量管理，最終持續(xù)改進(jìn)以獲得優(yōu)質(zhì)的鑄件。

關(guān)鍵詞：樹(shù)脂砂；風(fēng)電鑄件；鑄造工藝；質(zhì)量管理

中圖分類號(hào)：TG24 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）25-0117-02

Abstract： By analyzing the structural characteristics of large-scale wind power equipment， under the resin sand casting process conditions， the problems faced by large-scale wind power equipment casting are analyzed and demonstrated. The problems such as slag inclusion and shrinkage hole in the casting process of large-scale wind power equipment are analyzed firstly， and then the casting process and quality management of the casting process are emphasized according to the technological characteristics of resin sand casting process， and finally continuous improvement is made to obtain high quality castings.

Keywords： resin sand； wind power castings； casting technology； quality management

引言

隨著近年來(lái)地球上一次性能源的大量使用，這些不可再生能源將日趨匱乏，與此同時(shí)可再生資源如太陽(yáng)能、風(fēng)能和海洋能將被人類廣泛利用[1]。而風(fēng)力發(fā)電作為其中較為重要的一環(huán)而被人們廣泛關(guān)注，由于風(fēng)資源本身的不確定性而對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的有效使用造成較大的影響，從而對(duì)大型風(fēng)電設(shè)備提出了更高的要求以完成實(shí)際工作[2]。

風(fēng)力發(fā)電作為一種清潔能源，其工作原理是通過(guò)機(jī)電裝置將風(fēng)能通過(guò)一定形式轉(zhuǎn)換為風(fēng)電設(shè)備的機(jī)械能，再利用相應(yīng)的機(jī)電設(shè)備將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為可以利用的電能。其中最為重要的風(fēng)電鑄件有輪轂、扭力臂、葉輪等，都需要很高的技術(shù)要求[3]。樹(shù)脂砂鑄造工藝因?yàn)槠洫?dú)特的精度高、廢品率低和組織致密等優(yōu)點(diǎn)，其使用范圍要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般性的砂型鑄造。樹(shù)脂砂鑄造技術(shù)同時(shí)因?yàn)槠滂T造中的流動(dòng)性好和硬化強(qiáng)度高而廣泛應(yīng)用于大型鑄件中。本文以大型風(fēng)電設(shè)備為例進(jìn)行樹(shù)脂砂鑄造工藝和控制等方面的研究[4]。

1 樹(shù)脂砂鑄造環(huán)節(jié)控制

鑄造是一種將金屬液體澆注到鑄造空腔形成產(chǎn)品零部件的產(chǎn)品成型工藝。作為一種歷經(jīng)幾千年的熱加工工藝，其加工工藝已處于相當(dāng)高的水平，但是還是存在一定的鑄造缺陷。本文所述的樹(shù)脂砂鑄造工藝作為普通鑄造的優(yōu)化改進(jìn)，可以在一定程度上減少常見(jiàn)缺陷，對(duì)于鑄造能力的提升具有重要作用。

1.1 鑄造工藝環(huán)節(jié)

產(chǎn)品零部件在鑄造過(guò)程中應(yīng)用的技術(shù)和方法統(tǒng)稱為鑄造工藝環(huán)節(jié)，其中較為重要的有澆冒系統(tǒng)設(shè)計(jì)、造型工藝和熔煉工藝等環(huán)節(jié)。澆冒系統(tǒng)設(shè)計(jì)需依據(jù)零件的形狀和材料的特點(diǎn)采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和模擬軟件輔助完成。大型風(fēng)電鑄件的壁厚通常為60～200mm，在安全冒口選擇上有壓邊冒口、縮頸式冒口等，冒口的具體尺寸信息可以依據(jù)鑄件的比例f和模數(shù)信息m，在冒口設(shè)計(jì)中需要克服金屬液體質(zhì)量的變化和保證澆注過(guò)程的平穩(wěn)性，避免金屬液體的溢出。在澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要遵循減少氣孔、廢渣缺陷的規(guī)則，降低缺陷的發(fā)生率，提高產(chǎn)品的可靠性[5]。

1.2 退火工藝環(huán)節(jié)

退火處理有兩種工藝方式。一當(dāng)鑄態(tài)組織中存在自由滲碳體時(shí)，必須進(jìn)行高溫石墨化退火，此工藝分兩個(gè)階段。二當(dāng)鑄件組織中無(wú)自由滲碳體時(shí)，只需做低溫石墨化退火。再利用樹(shù)脂砂鑄造中，由于樹(shù)脂砂模型具有很好的溫度穩(wěn)定性，能夠有效的控制鐵液中的化學(xué)成分，再結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中的有效經(jīng)驗(yàn)，一般大型風(fēng)電鑄件我們采取型內(nèi)保溫4～6天，實(shí)現(xiàn)化學(xué)元素的緩慢變化，以增強(qiáng)機(jī)械性能。

1.3 質(zhì)量管理環(huán)節(jié)

大型風(fēng)電設(shè)備鑄造過(guò)程非常復(fù)雜，而針對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中的質(zhì)量監(jiān)管，質(zhì)量的保證需要有效的質(zhì)量管理。針對(duì)前期的工藝設(shè)計(jì)過(guò)程，需要進(jìn)行預(yù)先的軟件模擬，查出設(shè)計(jì)中的不規(guī)范和缺陷，而后針對(duì)圖紙中的細(xì)節(jié)進(jìn)行修改核對(duì)。在工藝文件的每個(gè)環(huán)節(jié)，容易出現(xiàn)失誤的地方，都需要車間操作工，施工員和領(lǐng)導(dǎo)的把控，實(shí)現(xiàn)真正的環(huán)節(jié)控制以達(dá)到質(zhì)量控制。

2 樹(shù)脂砂鑄造工藝探討

2.1 缺陷分析與控制措施

本文以企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中的大型風(fēng)電鑄件輪轂為例進(jìn)行說(shuō)明，在輪轂的實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)輪轂造型、澆注、清理等鑄造工藝過(guò)程結(jié)束后，在實(shí)際的檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，鑄件內(nèi)腔出現(xiàn)夾砂現(xiàn)象，鑄件外表面有起皮或粘砂等缺陷，同時(shí)也會(huì)有一些夾渣、縮孔、氣孔等缺陷，這都在很大程度上影響產(chǎn)品的使用性能和合格性。

仔細(xì)分析這些缺陷的成因，缺陷的形成主要有以下幾個(gè)因素：砂型強(qiáng)度偏低或過(guò)高，澆注溫度不合適，傳統(tǒng)冒口補(bǔ)縮效率低等。眾所周知，適宜的砂型強(qiáng)度是獲得合格鑄件極為重要的一環(huán)，而合理的樹(shù)脂、固化劑加入量是保障砂型強(qiáng)度的必要條件之一。樹(shù)脂、固化劑加入量過(guò)低，砂型的強(qiáng)度就低，砂型局部可能會(huì)存在干砂從而導(dǎo)致砂眼缺陷的產(chǎn)生，再者砂型強(qiáng)度低鐵水在澆注過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生沖砂從而導(dǎo)致夾砂缺陷的產(chǎn)生。而加入量過(guò)高，雖然砂型的強(qiáng)度會(huì)增加，但附帶會(huì)直接導(dǎo)致再生砂的灼減量增加，從而導(dǎo)致砂型的發(fā)氣量變大，鑄件產(chǎn)生氣孔的可能性增加。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)踐摸索，我們最終將樹(shù)脂的加入量控制在了0.9%～1.2%，固化劑的理想加入量控制在了樹(shù)脂含量的40%，從而保證型砂的8小時(shí)抗拉強(qiáng)度達(dá)到1.0～1.2MP，保障大型風(fēng)電鑄件鑄型的基本要求。至于，澆注溫度我們一般控制在1330～1350℃這個(gè)區(qū)間，如果澆注溫度偏低，會(huì)導(dǎo)致鐵水本身的流動(dòng)性問(wèn)題，可能導(dǎo)致夾渣甚至澆不足，如果澆注溫度偏高，也會(huì)誘發(fā)縮松等缺陷。所以澆注溫度是極為重要的一環(huán)，需要根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)以及冷鐵的使用綜合考慮，并結(jié)合實(shí)際澆注進(jìn)行驗(yàn)證調(diào)整，直至找到最理想的澆注溫度。另外在實(shí)際生產(chǎn)中，我們往往會(huì)發(fā)現(xiàn)冒口明明很大，模數(shù)也大于被補(bǔ)縮部位的模數(shù)，但冒口根部仍時(shí)有縮松的情況發(fā)生，其歸根結(jié)底在于冒口的補(bǔ)縮效率低。針對(duì)此種情況，我們推薦使用冷鐵和發(fā)熱冒口相結(jié)合的補(bǔ)縮工藝。發(fā)熱冒口作為一種高效率的補(bǔ)縮冒口，其補(bǔ)縮效率可達(dá)40%，鐵水在冒口內(nèi)保持液態(tài)的時(shí)間長(zhǎng)，可補(bǔ)縮時(shí)間長(zhǎng)，冒口徑斷面好，可以從根本上解決鑄造工藝出品率低、成本高的問(wèn)題。

這里重點(diǎn)說(shuō)一下氣渣隔缺陷，我們?cè)谟媚M軟件對(duì)國(guó)內(nèi)某客戶的輪轂進(jìn)行充型模擬時(shí)發(fā)現(xiàn)，鐵液從底面法蘭進(jìn)入型腔后，由于本身采用披縫澆口鐵水流量大，再加上采用快澆工藝，鐵液在進(jìn)入型腔后迅速上升并到達(dá)側(cè)面法蘭，撞擊之后會(huì)有一定的回流，由于此種輪轂側(cè)面法蘭和底平面的連接處過(guò)窄，局部壁厚最小處只有40mm，遠(yuǎn)小于兩端法蘭的壁厚，回流到底平面的鐵液并不能完全被后續(xù)的鐵液沖出，此外回流卷入的氣體和砂型中未排除的氣體在底平面上方形成一個(gè)密閉的氣腔，氣體無(wú)法及時(shí)排出，形成了氣隔缺陷。再者，氣泡往往具有吸附作用，新涌入的鐵液中的氧化渣吸附在氣泡壁上，從而形成了獨(dú)特的氣渣隔缺陷。

針對(duì)此種現(xiàn)象，我們主要從三個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：（1）適當(dāng)?shù)难娱L(zhǎng)澆注時(shí)間，保證鐵液的平穩(wěn)沖型；（2）嚴(yán)格控制再生砂的酌減量，確保不超過(guò)3.5%，從而減小發(fā)氣量；（3）在側(cè)法蘭和底平面連接壁厚最小處，增加工藝打磨量，并增設(shè)排氣瓷管。

2.2 工藝優(yōu)化

在大型風(fēng)電鑄件工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中我們需要充分考慮鑄件的結(jié)構(gòu)，澆注系統(tǒng)的引入方式，因?yàn)樵谏衔乃龅囊恍┤毕葜?，鐵液碰撞對(duì)沖現(xiàn)象是不可避免的因素，而如何保證鐵液的平穩(wěn)充型是重中之重。為此，我們選擇F內(nèi)：F橫：F直=0.95：（1.5-2）：1的底澆式澆注系統(tǒng)，這種優(yōu)化后的澆注系統(tǒng)充型平穩(wěn)，可避免金屬液發(fā)生激濺，此外橫澆道處于充滿狀態(tài)，阻渣效果良好。但此種澆注系統(tǒng)內(nèi)澆道過(guò)熱現(xiàn)象明顯，內(nèi)澆道位置可能產(chǎn)生縮松缺陷，所以需要分多道引入分散熱節(jié)，并在引入鐵水處增加冷鐵，從而杜絕缺陷的產(chǎn)生。此外，隨著風(fēng)電鑄件表面質(zhì)量越來(lái)越高，在內(nèi)澆道前增設(shè)過(guò)濾片也是提高鑄件質(zhì)量的有效措施，而且在引入過(guò)濾片后，由于過(guò)濾片良好的阻渣性能，我們可以有效的解放內(nèi)澆道，將F內(nèi)的橫截面進(jìn)一步提高緩解壓力，更好的保障鐵液的平穩(wěn)充型。另外，針對(duì)鑄件的氣孔缺陷，可以從以下兩個(gè)方面進(jìn)行輔助控制：（1）混合砂的灰分含量必須控制在0.5%以下，

灰分含量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致樹(shù)脂固化劑的加入量增加，灼減量增加，發(fā)氣量增加，透氣性差等等；（2）選擇合適的砂箱，冒口處可單獨(dú)放出，從而控制砂鐵比，也可使用舊砂塊，以此來(lái)減少原砂加入量，降低灼減量。

2.3 質(zhì)量檢測(cè)

鑄件澆注工作的完成并不意味著鑄件的成功生產(chǎn)，還需要進(jìn)行最后一步的質(zhì)量檢測(cè)。例如超聲波無(wú)損探傷技術(shù)就是目前最為普遍的一種檢測(cè)手段。USM35X是目前廣泛應(yīng)用的一種探測(cè)儀器，超聲波的探測(cè)速度大概在5000m/s，根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和要求，在大型風(fēng)電鑄件鑄造中，高應(yīng)力區(qū)的檢驗(yàn)要求為2級(jí)，標(biāo)準(zhǔn)也是通用的歐洲標(biāo)準(zhǔn)，而對(duì)于非高應(yīng)力區(qū)域，所采用的標(biāo)準(zhǔn)為3級(jí)。對(duì)于夾渣類缺陷，不能超過(guò)3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，所得的檢驗(yàn)結(jié)果具有重要意義。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以大型風(fēng)電鑄件為例對(duì)樹(shù)脂砂鑄造工藝進(jìn)行研究，對(duì)夾砂、夾渣、氣孔等缺陷進(jìn)行分析并提出可靠的控制措施，并對(duì)相關(guān)缺陷從以下兩個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化：（1）對(duì)澆注系統(tǒng)的截面積進(jìn)行優(yōu)化并提出兩種方案。（2）對(duì)砂型的發(fā)氣量進(jìn)行控制。通過(guò)對(duì)以上工藝參數(shù)的優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制，從而提高大型風(fēng)電鑄造件的穩(wěn)定性和可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1]張年玉，陶元亮，葉青，等.風(fēng)電低溫球鐵鑄件鑄造工藝綜述[J].鑄造技術(shù)，2012，33（2）：64-68.

[2]唐桂清，石斌.大型風(fēng)電球鐵件輪轂的鑄造及檢驗(yàn)技術(shù)[J].重型機(jī)械，2013（4）：84-87.

[3]馮琴.風(fēng)電機(jī)組緊固件的要求及制造工藝[J].電氣工程學(xué)報(bào)，2012（3）：54-56.

[4]楊萬(wàn)銀，張選志，王今勝，等.大型QT350-22AL輪轂鑄件的鑄造工藝[J].現(xiàn)代鑄鐵，2013，33（3）：59-62.

[5]文厚林，申榮華，薛楠.沖頭砂型鑄造澆冒系統(tǒng)設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬[J].鑄造，2014，63（5）：473-475.