大型電動(dòng)輪機(jī)座制造工藝改進(jìn)

林敬闖

摘要：電動(dòng)輪機(jī)座為礦用自卸車的驅(qū)動(dòng)輪機(jī)架，近年來使用時(shí)出現(xiàn)了機(jī)座鑄件開裂、使用壽命短的問題，通過計(jì)算機(jī)模擬分析軟件對(duì)葉輪的受力及鑄造工藝進(jìn)行分析，研究了機(jī)座鑄件的受力狀況以及鑄造凝固特點(diǎn)，優(yōu)化了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及鑄造工藝，解決了機(jī)座鑄件開裂問題，提高產(chǎn)品壽命。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)輪機(jī)座;受力分析;鑄造CAE;低合金鋼鑄件

0 ?引言

電動(dòng)輪機(jī)座是礦用自卸車電驅(qū)的重要部件，負(fù)責(zé)車輛的驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)、承載，受力情況復(fù)雜，任何缺陷的出現(xiàn)，或應(yīng)力集中都可能給機(jī)座的使用壽命造成影響，近年來礦山行業(yè)的非公路運(yùn)輸發(fā)展較快，隨著卡車運(yùn)行時(shí)間的延長，部分礦山還有超載嚴(yán)重的問題，電動(dòng)輪機(jī)座在使用過程中出現(xiàn)損壞問題變得越來越頻繁，部分機(jī)座甚至還產(chǎn)生裂紋引起報(bào)廢，縮短了機(jī)座壽命，給公司的生產(chǎn)、維護(hù)造成了很大的困難，也破壞了產(chǎn)品在客戶心中的形象。

為分析裂紋產(chǎn)生原因，通過對(duì)已經(jīng)報(bào)廢的機(jī)座進(jìn)行破壞性解體檢測(cè)，確定了導(dǎo)致機(jī)座開裂，壽命縮短的最直接原因?yàn)殍T件原材料存在內(nèi)部缺陷，因此進(jìn)行鑄造CAE模擬分析，提高鑄件合格率，消除內(nèi)部缺陷是很有必要的。其次通過對(duì)機(jī)座的受力分析發(fā)現(xiàn)鑄件開裂部位同時(shí)也為受力較大部位，因此通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化減小應(yīng)力水平，也是提高機(jī)座使用壽命的另一個(gè)必要途徑。

1 ?鑄件結(jié)構(gòu)受力分析

①根據(jù)分析機(jī)座的載荷和使用情況，設(shè)置約束為機(jī)座與后橋殼接觸面（見圖1），載荷情況見表1。

②鑄件材料性能要求：ReH≥450N/mm、Rm≥650N/mm、A≥15%、Z≥20%。

通過分析，機(jī)座在圖2所示R50圓弧處，所受應(yīng)力水平最大為359MPa，應(yīng)力雖然未超出材料的屈服強(qiáng)度，但考慮鑄件在此部位若存在鑄造缺陷，當(dāng)最大應(yīng)力與缺陷位置重合時(shí)，鑄件的開裂風(fēng)險(xiǎn)將大大增加，且實(shí)際產(chǎn)品產(chǎn)生裂紋失效主要集中在最大應(yīng)力位置附近，因此對(duì)此處進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減少應(yīng)力水平十分有必要。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，消除圓角處過渡臺(tái)階后應(yīng)力水平降低114.3MPa，最大應(yīng)力降為244.7MPa，同時(shí)得出結(jié)論圓角處為鑄件受力較大的部位，在產(chǎn)品的鑄造過程中應(yīng)避免此部位的鑄造缺陷。

2 ?鑄件的凝固模擬分析

機(jī)座采用鑄件與焊接件筒體焊接而成，其中受力較大部位由ZG40Cr鑄件鑄造而成，為確保鑄件質(zhì)量，對(duì)機(jī)座鑄件的鑄造工藝必須嚴(yán)格控制。在工藝設(shè)計(jì)時(shí)必須確保內(nèi)部組織的致密，確保鑄件內(nèi)部無縮松、縮孔、裂紋等鑄造缺陷。通過對(duì)機(jī)座鑄件的結(jié)構(gòu)分析，其基本參數(shù)見表2，ZG40Cr屬于國內(nèi)常用合金鑄鋼材質(zhì)，考慮鑄造工藝不合理易出現(xiàn)鑄造缺陷，還將影響模具的制造，增加制造周期。在鑄件制作前，我們必須對(duì)鑄造工藝進(jìn)行鑄造模擬分析，以確保工藝的可行性。初步工藝設(shè)計(jì)完成后，通過鑄造CAE模擬分析軟件對(duì)工藝進(jìn)行了分析，對(duì)可能出現(xiàn)鑄造缺陷的部位進(jìn)行預(yù)測(cè)，在制造前即可分析優(yōu)化工藝。

2.1 三維建模

在模擬分析中為保證分析結(jié)果正確，必須有準(zhǔn)確的三維模型，建模時(shí)根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及要求，鑄件、冒口、澆口、冒口套等工藝相關(guān)模型需分別進(jìn)行三維建模以保證可分別設(shè)置計(jì)算參數(shù)（見圖3）。

2.2 網(wǎng)格劃分

在鑄造CAE模擬分析軟件中劃分網(wǎng)格也是保證分析結(jié)果正確的關(guān)鍵。由于鑄件最小壁厚只有30，設(shè)置網(wǎng)格大小為10，既保證了模型網(wǎng)格的全接觸，又保證了最薄部位至少有3個(gè)網(wǎng)格。這樣既可充分保證模擬結(jié)果的真實(shí)性，又減少了模擬分析的數(shù)據(jù)量。

2.3 計(jì)算分析及結(jié)果

2.3.1 計(jì)算參數(shù)選擇

由于鑄造CAE軟件是根據(jù)材料的參數(shù)如密度、導(dǎo)熱系數(shù)、熱容、潛熱等進(jìn)行的溫度傳導(dǎo)模擬，材料庫內(nèi)已對(duì)常用材料的參數(shù)賦值，計(jì)算分析時(shí)只需對(duì)各個(gè)模型選擇相應(yīng)的材質(zhì)，再根據(jù)工藝參數(shù)及環(huán)境溫度情況設(shè)定初始溫度（計(jì)算參數(shù)選擇見表3）。

2.3.2 凝固模擬分析結(jié)果

凝固模擬分析主要反映鑄件上各部位的溫度變化趨勢(shì)和最后凝固部位及收縮量，進(jìn)而判定各部位的凝固先后順序，是鑄件工藝模型中縮孔、縮松位置的關(guān)鍵判據(jù)，通過對(duì)此機(jī)座鑄件的工藝模擬分析（見圖4），我們判定鑄件內(nèi)不存在大的體積收縮。通過對(duì)剖面分析鑄件內(nèi)部在厚度為46mm厚中間薄壁法蘭上縮松概率40-50%，可能會(huì)產(chǎn)生局部縮松，需加大冷鐵的激冷效果;原鑄件容易出現(xiàn)開裂的R50圓弧部位縮松概率低，鑄造工藝滿足生產(chǎn)要求。

3 ?機(jī)座鑄件生產(chǎn)

3.1 制模、造型、熔煉、澆注

模具制造按照工藝建模時(shí)的尺寸放加工余量及縮尺進(jìn)行制造，造型過程中，通過作業(yè)指導(dǎo)書和技術(shù)員現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)相結(jié)合的方式指導(dǎo)生產(chǎn)，制作鑄造工藝圖，對(duì)澆口、冒口、冷鐵的大小及位置，關(guān)鍵造型尺寸和控制要點(diǎn)進(jìn)行明確。確保了不會(huì)由于造型的工藝正確，不產(chǎn)生模擬預(yù)測(cè)之外的缺陷。為保證鑄件成分和機(jī)械性能符合要求，通過分析計(jì)算所有原材料的成分及熔煉收得率，合理配料，確保原材料的所有成分受控;鋼水熔煉采用中頻爐，熔煉過程中通過光譜分析儀化驗(yàn)熔透后、出爐前鋼水成分，確保出爐鋼水的成分合格。

3.2 打箱、清理

考慮鑄件材料碳當(dāng)量較高，室溫切割冒口有較高的裂紋傾向，冒口需高溫切割，通過分析鑄件散熱情況，預(yù)計(jì)48-54小時(shí)鑄件溫度可降至600℃以下，設(shè)定打箱時(shí)間48-54小時(shí)，考慮清理切割冒口時(shí)是逐個(gè)切割，且切割時(shí)間較長，采取逐個(gè)清理、切割，對(duì)沒切割的冒口以及切割完成的冒口繼續(xù)用型砂覆蓋，確保冒口溫度緩慢下降，利于熱割冒口、減小裂紋傾向。

4 ?鑄件檢驗(yàn)驗(yàn)證

通過CAE分析和詳細(xì)的過程策劃后，首件機(jī)座鑄件在開箱清理后，通過檢測(cè)除鑄件表面有少量氣孔、渣孔、粘砂之外，無其它影響鑄件使用性能的缺陷。同時(shí)為保證鑄件檢測(cè)的準(zhǔn)確性，確保鑄件在易開裂部位的質(zhì)量，與探傷設(shè)備制造廠家合作，制作了超聲波檢測(cè)圓角部位的專用探頭。通過圓角專用探頭的檢測(cè)圓角部位，直探頭檢測(cè)平面部位，現(xiàn)公司生產(chǎn)交付的機(jī)座鑄件所有部位符合技術(shù)要求，無超標(biāo)鑄造缺陷。

通過此次的鑄件生產(chǎn)制造，我們確認(rèn)了前期的CAE分析結(jié)果對(duì)實(shí)際生產(chǎn)的工藝設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義，通過鑄造CAE模擬分析可真實(shí)反映鑄造生產(chǎn)中可能遇到的問題，有效的預(yù)防鑄造缺陷產(chǎn)生。在對(duì)機(jī)座鑄件產(chǎn)品的質(zhì)量改進(jìn)中，通過進(jìn)行針對(duì)性的結(jié)構(gòu)受力分析和鑄件模擬分析，優(yōu)化受力結(jié)構(gòu)，預(yù)測(cè)并避免鑄造缺陷，可為產(chǎn)品質(zhì)量提升提供具有指導(dǎo)意義的理論判據(jù)。

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