挖掘機(jī)引導(dǎo)輪鑄造工藝方案優(yōu)化

王慎田

山推工程機(jī)械有限公司 山東濟(jì)寧 272000

1 序言

隨著我國(guó)機(jī)械化、一體化施工的不斷發(fā)展，帶動(dòng)工程機(jī)械產(chǎn)業(yè)規(guī)模逐年擴(kuò)大，其中挖掘機(jī)是規(guī)模最大、最重要的板塊，尤以中小挖掘機(jī)產(chǎn)品的需求增長(zhǎng)更為明顯，競(jìng)爭(zhēng)也越來(lái)越激烈。另外，客戶對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量的意識(shí)也在不斷提高，質(zhì)量可靠、價(jià)格低廉的產(chǎn)品越發(fā)受到客戶的青睞，其中引導(dǎo)輪作為挖掘機(jī)行走系統(tǒng)的重要組成部件，其性能可靠性變得更加重要。因此，解決引導(dǎo)輪存在的失效風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)開(kāi)發(fā)出具有高可靠性結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品是客戶和制造商共同的期望。

2 背景

目前，工程機(jī)械市場(chǎng)上廣泛使用的中小挖掘機(jī)，其配套使用的引導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)以鑄造式單腹板為主（見(jiàn)圖1），但其使用性能的可靠性不穩(wěn)定，故障率較高。特別是鑄造結(jié)構(gòu)樣式，由于其鑄造工藝固有的缺陷，如鑄造砂眼、縮松和晶粒度不良等，更增加了這種結(jié)構(gòu)不可靠性的風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生工作面斷裂的情況（見(jiàn)圖2），造成整機(jī)行走系統(tǒng)失效。另外，鑄造過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷會(huì)增大后續(xù)熱處理產(chǎn)生裂紋傾向，給熱處理工藝增加難度，造成成品率低，成本居高不下。此次研究以提升鑄造質(zhì)量為目標(biāo)，分析鑄造過(guò)程中的各個(gè)過(guò)程，找到問(wèn)題原因，并采取有效的改善措施，避免由于鑄造工藝產(chǎn)生的缺陷。

圖1 引導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)

圖2 工作面斷裂

3 現(xiàn)狀分析及要因確認(rèn)

通過(guò)對(duì)失效件采用要因圖方法進(jìn)行分析，引導(dǎo)輪由鑄造原因引發(fā)工作面斷裂的原因如下。

1）鑄造產(chǎn)生砂眼、氣孔等缺陷（見(jiàn)圖3），會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生潛在裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。

現(xiàn)在鑄鋼式引導(dǎo)輪普遍采用水玻璃砂造型工藝，砂型在澆注前要求徹底烘干。為進(jìn)一步提升鑄鋼件表面質(zhì)量，面砂表面要刷涂料，以提升砂型表面強(qiáng)度，封閉砂型及砂芯表面空隙，改善澆注過(guò)程中沖砂引起的夾砂及砂眼產(chǎn)生。一方面，若砂型烘干不充分，會(huì)造成澆注過(guò)程中產(chǎn)生的大量氣體無(wú)法及時(shí)排出，此外若澆注速度控制不合理，也會(huì)造成型腔內(nèi)氣體排放不及時(shí)而形成氣孔。另一方面，砂型沒(méi)處理干凈或砂型強(qiáng)度低，小塊砂在澆注過(guò)程中被鋼液包裹至引導(dǎo)輪體或踏面處，車(chē)削加工時(shí)砂被釋放而形成凹坑。再者，修型不徹底、砂型表面浮砂而導(dǎo)致鑄造麻坑。以上幾種情況均會(huì)使引導(dǎo)輪形成潛在的失效風(fēng)險(xiǎn)，需要解決。

2）工作面厚度尺寸過(guò)小。

工作面位置厚度尺寸與中間部位相比，厚薄差別懸殊，鋼液在該位置冷卻速度過(guò)快，易產(chǎn)生應(yīng)力裂紋（見(jiàn)圖4）。

圖3 砂眼缺陷

圖4 應(yīng)力裂紋

4 改進(jìn)方案

（1）鑄造工藝改進(jìn)方案 砂眼和氣孔等缺陷采取改進(jìn)措施如下。

1）適當(dāng)增加砂型烘烤至2~3遍，避免潮濕氣體殘留。

2）控制澆注速度，標(biāo)準(zhǔn)化每包合理澆注時(shí)間及末包澆注溫度。

3）在澆注過(guò)程中，可改用小包澆注，做到平穩(wěn)，防止沖砂。

4）優(yōu)化混砂配比，降低砂型的表面粗糙度值，提高緊實(shí)度。

5）刷涂料時(shí)涂刷要均勻。

6）每爐次鋼液出爐前進(jìn)行測(cè)溫，將鋼液溫度控制在1550~1650℃后再進(jìn)行澆注。

7）加強(qiáng)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)品質(zhì)量的檢查力度，設(shè)專職造型檢查員。

（2）鑄造結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn) 由于輪體踏面外邊緣薄，中間部位較厚，且厚薄變化過(guò)于懸殊（見(jiàn)圖5），使得此處在鑄造過(guò)程中冷卻速度過(guò)快，外邊緣與中間部位的體積收縮不同，因此容易產(chǎn)生裂紋及縮松（見(jiàn)圖6）。在熱處理加熱過(guò)程中，由于工作面位置壁薄，透熱性較好，當(dāng)中間壁厚的位置加熱到所要求的溫度830℃時(shí)，其明顯薄的工作面位置處的溫度會(huì)變的更高，這樣使得鑄件局部過(guò)熱，在冷卻過(guò)程中較快的冷卻速度也容易產(chǎn)生裂紋，或發(fā)生過(guò)燒現(xiàn)象而產(chǎn)生裂紋，這種裂紋為鋸齒狀分布，并伴隨有表面馬氏體組織較粗大而沿晶開(kāi)裂（見(jiàn)圖7）。此外，通過(guò)建立力學(xué)-數(shù)學(xué)模型分析，踏面部可看作懸臂梁模型，輪體踏面部在機(jī)器工作時(shí)受到載荷作用，會(huì)產(chǎn)生反復(fù)變形，易導(dǎo)致疲勞斷裂。因此，加厚踏面尺寸，可以有效地緩解甚至消除疲勞破壞。經(jīng)過(guò)有限元分析計(jì)算可得：引導(dǎo)輪體適當(dāng)加厚5mm，則最大變形量?jī)H為更改前的82.1%，同時(shí)能夠減緩厚薄過(guò)渡程度，減緩鋼液在薄壁位置的冷卻速度，進(jìn)一步改善澆注工藝性，提高鋼液的流動(dòng)性及補(bǔ)縮能力。

圖5 輪體踏面

圖6 縮松缺陷

圖7 沿晶開(kāi)裂

5 實(shí)施效果

經(jīng)過(guò)在國(guó)內(nèi)一家知名引導(dǎo)輪制造企業(yè)分階段實(shí)施上述改進(jìn)方案，當(dāng)鑄造工藝改進(jìn)方案實(shí)施后，引導(dǎo)輪體的鑄造不合格率由12.98%降到3.46%，進(jìn)一步實(shí)施鑄造結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案后，不合格率進(jìn)一步降低到0.49%以下，甚至一些鑄造生產(chǎn)批次實(shí)現(xiàn)了不合格率是0的質(zhì)量狀態(tài)。經(jīng)過(guò)兩次改善方案的實(shí)施，降低了損失，節(jié)約了制造成本，同時(shí)提升了生產(chǎn)效率，取得了良好效果。

6 結(jié)束語(yǔ)

本次研究解決了挖掘機(jī)單腹板鑄鋼式引導(dǎo)輪鑄造成品率低的問(wèn)題。同時(shí)，通過(guò)數(shù)學(xué)模擬分析進(jìn)一步優(yōu)化了鑄造設(shè)計(jì)尺寸，并最終通過(guò)應(yīng)用至實(shí)際生產(chǎn)制造中，驗(yàn)證了改善方案的正確性及可靠性，對(duì)鑄鋼式引導(dǎo)輪制造行業(yè)具有一定的指導(dǎo)意義。