大型風(fēng)電輪轂無(wú)冒口砂型鑄造研究

胡志強(qiáng)，蒲遠(yuǎn)忠，劉紅才

（天津重型裝備工程研究有限公司，天津 300457）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，全球能源的儲(chǔ)備量急劇下降，尋求新能源迫在眉睫。在此情形下，風(fēng)力發(fā)電作為一種新興可再生的潔凈能源得到廣泛的應(yīng)用。風(fēng)電既可以較好地緩解能源危機(jī)，又能帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益，因此，風(fēng)電在我國(guó)正得到重視并蓬勃發(fā)展。風(fēng)電設(shè)備主要由風(fēng)輪、齒輪箱體、底座、軸承座等構(gòu)件組成，其中風(fēng)輪由葉片與輪轂組成，而輪轂要承受葉片旋轉(zhuǎn)工作時(shí)產(chǎn)生的作用力與各種力矩，受力情況特別復(fù)雜[1-2]，由此可見，輪轂在風(fēng)力發(fā)電中有舉足輕重的作用。由于結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，壁厚較大，必須經(jīng)過(guò)UT、MT，不允許存在縮松、裂紋、氣孔、夾渣類缺陷，制造難度較大，另外國(guó)內(nèi)對(duì)于無(wú)冒口鑄造的研究較少[3]。因此，研究輪轂的無(wú)冒口鑄造工藝有很大的應(yīng)用價(jià)值。

輪轂常用材質(zhì)為QT400-18與QT350-22，而QT500-14球墨鑄鐵具有抗拉強(qiáng)度與硬度更均勻、切削性能更好等優(yōu)點(diǎn)[4]，但要得到QT500-14往往需要加入很多合金并執(zhí)行苛刻的球化孕育工藝，其工藝在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較少，合金的加入也導(dǎo)致生產(chǎn)成本的增加。因此，通過(guò)對(duì)高碳低硅與低碳高硅兩種成分進(jìn)行試驗(yàn)，先確定高硅固溶強(qiáng)化的生產(chǎn)工藝。本研究對(duì)QT500-14材質(zhì)的3.5 MW大型風(fēng)電輪轂進(jìn)行無(wú)冒口鑄造工藝設(shè)計(jì)，利用MAGMASOFT軟件模擬凝固過(guò)程的溫度場(chǎng)分布分析，并預(yù)測(cè)鑄造缺陷，從而優(yōu)化鑄造工藝，最后成功生產(chǎn)出符合技術(shù)要求的輪轂。本次研究結(jié)果對(duì)大型風(fēng)電輪轂的制造具有一定的參考價(jià)值。

1 輪轂結(jié)構(gòu)參數(shù)與技術(shù)要求

輪轂的大體輪廓為球狀殼體，葉片軸孔與主軸的軸孔處結(jié)構(gòu)復(fù)雜，輪廓尺寸約為3 500 mm×3 000 mm×3 200 mm，主要壁厚為60 mm～80 mm，最大壁厚達(dá)到350 mm，凈重約18 000 kg，利用三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行建模，如圖1所示為輪轂三維模型。

圖1 輪轂三維模型

由于本次采用的QT500-14材質(zhì)要求抗拉強(qiáng)度≥500 MPa，延伸率≥14%，因此，在進(jìn)行鑄造工藝設(shè)計(jì)之前，需要對(duì)材料進(jìn)行一定研究，通過(guò)10 t與15 t中頻感應(yīng)電爐熔煉出高碳低硅和低碳高硅兩種成分的球鐵，分別球化孕育后澆注成試樣，對(duì)試樣進(jìn)行檢測(cè)分析。為保證球化率高，石墨形貌理想，采用優(yōu)質(zhì)生鐵與廢鋼，多次優(yōu)化球化工藝，最終本次采用優(yōu)化后的低碳高硅球墨鑄鐵。

2 鑄造工藝設(shè)計(jì)

在鑄造工藝設(shè)計(jì)中，最重要的就是結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備情況，既要能保證鑄造工藝方案的實(shí)施，又要能降低實(shí)際生產(chǎn)造型的難度。鑄造工藝設(shè)計(jì)主要包括澆冒口設(shè)計(jì)、造型方式設(shè)計(jì)、冷鐵與補(bǔ)貼設(shè)計(jì)等，還要考慮鑄件凝固成型原理，確保在本體上不產(chǎn)生鑄造缺陷。

2.1 冒口設(shè)計(jì)

球墨鑄鐵的凝固方式是糊狀凝固，即在整個(gè)斷面上存在相當(dāng)寬的液固共存區(qū)，使其補(bǔ)縮通道狹窄，并且開始凝固時(shí)會(huì)析出石墨。由于石墨比容小，會(huì)產(chǎn)生體積膨脹，可以通過(guò)對(duì)鐵液中的碳當(dāng)量、砂箱剛性以及砂型強(qiáng)度的控制，利用石墨化膨脹原理抵消液態(tài)鐵的凝固收縮量。另外，采用低溫快澆也可減少液態(tài)收縮，在厚大部位放置外冷鐵激冷以達(dá)到同時(shí)凝固。因此，本次研究利用石墨膨脹特性而采用無(wú)冒口鑄造。

2.2 冷鐵設(shè)計(jì)及補(bǔ)貼

冷鐵的放置可以控制鑄件的凝固過(guò)程，一般放置在鑄件熱節(jié)處，加速熱節(jié)的冷卻，使鑄件各部分冷卻速度均勻。從該輪轂的結(jié)構(gòu)上分析，熱節(jié)部位分布在葉片安裝孔輪廓與附近的凸臺(tái)上，在這些位置極易產(chǎn)生縮孔縮松缺陷與晶粒粗大。因此，在葉片孔輪廓處放置隨型冷鐵，在凸臺(tái)處放置相應(yīng)大小的長(zhǎng)方體冷鐵進(jìn)行激冷而加快熱節(jié)凝固。

鑄鐵件在充型的過(guò)程中，由于鐵水的溫度低，鐵水渣不會(huì)完全上浮，或者砂型的砂黏度不夠造成砂子脫落，從而會(huì)導(dǎo)致鑄鐵件夾渣的產(chǎn)生。為避免夾渣缺陷的產(chǎn)生，加高了輪轂上端三個(gè)凸臺(tái)的高度用以進(jìn)行鐵水渣的上浮。

2.3 澆注系統(tǒng)與分型面設(shè)計(jì)

將輪轂與主軸連接的厚大面放在底部。為防止鑄造缺陷在輪轂軸孔及葉片孔周圍產(chǎn)生，并遵照平穩(wěn)、大流量和快速充型的原則[5]，采用底返式澆注方式；為起模順利，選用與鑄件主軸軸線垂直的分型面，過(guò)內(nèi)外球面同球心處，解決了輪轂結(jié)構(gòu)復(fù)雜帶來(lái)的造型操作難的問(wèn)題，更有利于芯盒的制備與造型操作；采用開放式澆注系統(tǒng)，為避免鐵液在充型過(guò)程中沖擊作用劇烈，澆注系統(tǒng)截面積比例關(guān)系為F內(nèi)∶F橫∶F直=3∶1.2∶1。

2.4 造型與澆注

造型方式采用手工砂箱方式，兩箱造型。型砂采用呋喃樹脂自硬砂，采用醇基鉛粉涂料涂刷3～4遍，撞制主型與砂芯時(shí)要預(yù)留好十字線，合箱時(shí)用十字線對(duì)正，防止錯(cuò)位，抽凈型腔內(nèi)的浮砂；內(nèi)澆道陶瓷管中心線要處于規(guī)定的中心線上。型、芯之間墊好石棉繩，防止跑火。最終澆注溫度為1 280℃～1 300℃，液重23 000 kg。

根據(jù)上述分析結(jié)果，最終得到如圖2所示的輪轂鑄造工藝模型圖。

圖2 輪轂鑄造工藝模型圖

3 凝固過(guò)程溫度場(chǎng)模擬

將鑄造工藝模型的各部件轉(zhuǎn)化為STL文件，分別導(dǎo)入MAGMASOFT軟件中劃分網(wǎng)格，利用有限差分法對(duì)輪轂在上述鑄造工藝下的凝固過(guò)程進(jìn)行模擬分析，網(wǎng)格數(shù)量為1 500萬(wàn)，材料及邊界條件設(shè)置如表1所示。

表1 主要參數(shù)設(shè)置情況

3.1 凝固過(guò)程結(jié)果及分析

該輪轂的壁厚差別較大，若在沒(méi)有冷鐵的情況下，壁厚大的部位凝固時(shí)間長(zhǎng)，極易產(chǎn)生鑄造類缺陷，放置冷鐵后對(duì)該處產(chǎn)生激冷作用，提高了溫度梯度，有利于鑄件同時(shí)凝固。采用瞬間充滿的狀態(tài)作為凝固過(guò)程的開始時(shí)刻，如圖3所示為輪轂?zāi)踢^(guò)程中的溫度場(chǎng)，可以看出，開始時(shí)刻與冷鐵接觸的鑄件表面溫度降低，說(shuō)明冷鐵開始發(fā)揮激冷作用，隨著凝固的進(jìn)行，熱量進(jìn)行熱傳導(dǎo)，整個(gè)輪轂鑄件溫度降低，冷鐵始終作為鑄件的末端冷卻區(qū)。從輪轂的最終凝固溫度場(chǎng)可看出凝固方式基本達(dá)到了同時(shí)凝固，說(shuō)明本鑄造工藝中的冷鐵位置與厚度設(shè)置較為合理，解決了由于輪轂壁厚不均導(dǎo)致的冷卻速率不同的問(wèn)題，有效防止了缺陷的產(chǎn)生。

圖3 輪轂?zāi)虦囟葓?chǎng)

3.2 縮孔縮松缺陷結(jié)果及分析

如圖4所示為輪轂的縮孔分布圖，可看出輪轂鑄件本體上沒(méi)有宏觀縮孔出現(xiàn)，只在三個(gè)凸臺(tái)的加高位置產(chǎn)生少量縮孔，但這不影響鑄件本體的質(zhì)量。一般縮孔形態(tài)應(yīng)該是內(nèi)凹形狀，例如矮U型或者深V型，而輪轂三個(gè)凸臺(tái)縮孔區(qū)域形態(tài)，為“中間高四周低”形態(tài)，可以表明是鐵水凝固過(guò)程中，石墨化膨脹導(dǎo)致體積增大，受到砂型剛性的限制導(dǎo)致凸臺(tái)處形成“中間高四周低”的形態(tài)。

圖4 縮孔分布圖

對(duì)于縮松采用的是NIYAMA判據(jù)，其特點(diǎn)是不僅考慮鑄件結(jié)構(gòu)的影響，而且準(zhǔn)確考慮了流動(dòng)壓力損失。如圖5所示為輪轂的縮松分布圖，可看出縮松缺陷沒(méi)有出現(xiàn)在本體上，只出現(xiàn)在凸臺(tái)用于集渣的加高部位，說(shuō)明本次鑄造工藝設(shè)計(jì)較為合理。

圖5 縮松分布圖

4 實(shí)際驗(yàn)證

按照上述鑄造工藝方案對(duì)輪轂進(jìn)行澆注，采用雙包澆注，雙包澆注可達(dá)到低溫快澆的目的，從而減少液態(tài)收縮便于自補(bǔ)縮。澆注完成后進(jìn)行保溫，輪轂鑄件熱處理后進(jìn)行清理打磨和噴砂精整，如圖6所示，為得到的輪轂鑄件實(shí)物，進(jìn)行毛坯100%超聲波探傷檢測(cè)，探傷標(biāo)準(zhǔn)《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 球墨鑄鐵件（GB/T25390—2010）》，探傷質(zhì)量良好。

圖6 輪轂鑄件實(shí)物

對(duì)附鑄試塊進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示：球化率達(dá)到90%，石墨大小等級(jí)為6級(jí)；抗拉強(qiáng)度達(dá)到520 MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)到403 MPa，伸長(zhǎng)率18%，硬度193 HB。

5 結(jié)束語(yǔ)

利用MAGMASOFT在鑄造方面的應(yīng)用，成功設(shè)計(jì)出3.5 MW輪轂鑄件的鑄造工藝，有效地實(shí)現(xiàn)了輪轂的生產(chǎn)。MAGMASOFT模擬軟件給工藝設(shè)計(jì)人員提供了便捷又準(zhǔn)確的參考，既降低了研發(fā)成本，又縮短了研發(fā)周期。

結(jié)合公司實(shí)際生產(chǎn)能力，以低溫快澆工藝、無(wú)冒口鑄造以及輔助冷鐵激冷作用的方式順利完成了試生產(chǎn)，制造出輪廓尺寸大、壁厚差別大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的風(fēng)電輪轂鑄件，性能及探傷檢測(cè)達(dá)到目標(biāo)要求，研制的風(fēng)電輪轂用球墨鑄鐵QT500-14材料達(dá)到預(yù)期技術(shù)指標(biāo)，固化該工藝后可進(jìn)行批量化生產(chǎn)。