采煤機行星架鑄件質(zhì)量優(yōu)化

□ 李 超

常熟天地煤機裝備有限公司 江蘇蘇州 215505

1 優(yōu)化背景

行星架的結(jié)構(gòu)緊湊,體積小,傳動比大,承載能力強,工作穩(wěn)定。目前,行星架在采煤機的截割部、牽引部等傳動系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。由于井下環(huán)境的惡劣性,采煤機作業(yè)時間長,導(dǎo)致行星架在使用中經(jīng)常發(fā)生變形、裂紋、斷裂等故障。行星架一旦發(fā)生結(jié)構(gòu)斷裂,將直接導(dǎo)致采煤工作停頓,甚至造成一定的安全威脅。行星架斷裂與采煤機截割部、牽引部等部位的結(jié)構(gòu)設(shè)計或裝配不合理有一定關(guān)聯(lián),但產(chǎn)品本體的制造質(zhì)量不過關(guān)才是最大癥結(jié)。產(chǎn)品熱處理不當(dāng),帶有缺陷的不合格鑄件交付,是行星架質(zhì)量不佳的根源。因此,對現(xiàn)有行星架鑄件的質(zhì)量進(jìn)行分析并提出改進(jìn)意見,是十分有必要的。筆者對采煤機行星架鑄件質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化。

2 工藝性分析

通過大量生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題收集,以及客戶使用信息反饋,筆者對行星架易發(fā)生裂紋斷裂的部位進(jìn)行取樣研究分析,如圖1所示。特別關(guān)注行星架鑄件的調(diào)質(zhì)硬度和金相組織,裂紋處放大500倍的金相組織如圖2所示,非裂紋處放大500倍的金相組織如圖3所示。要生產(chǎn)質(zhì)量合格的行星架鑄件,需要從三個方面加以控制:① 產(chǎn)品工藝性結(jié)構(gòu)設(shè)計局部優(yōu)化;② 制訂合理的鑄造工藝流程;③ 關(guān)鍵工序控制,主要在于缺陷補焊及熱處理過程控制。

▲圖3 非裂紋處500倍金相組織

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計局部優(yōu)化

筆者對行星架斷裂鑄件進(jìn)行失效模式分析,認(rèn)為行星架內(nèi)腔拐角部位斷裂與設(shè)計不合理有一定關(guān)聯(lián)。按照原設(shè)計結(jié)構(gòu),行星架的鑄造圓角在機加工工序中被加工去除,但行星架最終成品要求該轉(zhuǎn)角處要圓弧過渡,為了保證裝配尺寸精度,又采用機加工的方式重新獲得半徑為5～10 mm的圓角。行星架內(nèi)腔采取機加工成型的圓角,極易成為應(yīng)力集中源,在實際使用過程中成為斷裂原因。鑄造圓角加工去除如圖4所示?；谝陨戏治?在行星架的設(shè)計時,將該處圓角改為內(nèi)凹式。在加工工序編排過程中,將該部位的鑄造圓角保留,將過渡處修磨圓滑。內(nèi)凹式鑄造圓角如圖5所示。此舉降低了機加工產(chǎn)生應(yīng)力的風(fēng)險,減小了加工量,降低了加工難度,縮短了生產(chǎn)周期。

▲圖4 鑄造圓角加工去除▲圖5 內(nèi)凹式鑄造圓角

4 制訂合理鑄造工藝流程

行星架材料選用ZG42CrMo,這一材料鑄造性能較差,凝固收縮率大,易產(chǎn)生縮孔等缺陷。大型鑄鋼件的澆鑄溫度高,鋼液的流動性較差,不利于鑄件充型,所以需要對模具、砂箱進(jìn)行預(yù)熱,使鋼水易氧化,同時需要加快澆注速度。筆者對加工工藝流程進(jìn)行兩方面改變。

4.1 增加退火去應(yīng)力工序

ZG42rMo材料的碳含量較高,為0.38%～0.45%,熱敏感性較強,具有較強的冷裂紋和熱解理裂紋傾向,焊接性較差。出于以上考慮,在毛坯未割冒口前增加去應(yīng)力退火工序,保證鑄造內(nèi)應(yīng)力的消除。從實際生產(chǎn)情況看來,這一舉措十分有效,消除了由鑄造內(nèi)應(yīng)力引起的裂紋。

4.2 增加粗加工工序

行星架鑄件對硬度有指標(biāo)要求,熱處理方式為調(diào)質(zhì)。ZG42rMo材料的淬透性雖然整體很好,但是毛坯狀態(tài)淬透層深度均勻性受限。在調(diào)質(zhì)處理前增加粗加工工序,這樣一方面可以確保行星架鑄件的硬度均勻性,另一方面能夠有效排除毛坯表面粘砂和雜物對熱處理效果的影響,由此進(jìn)一步提高行星架鑄件的綜合機械性能。

5 關(guān)鍵工序控制

通過前期行星架鑄件試制過程中的摸索,進(jìn)行了關(guān)鍵工序識別,將鑄件補焊、熱處理確定為關(guān)鍵工序。補焊工藝過程控制可以有效降低后續(xù)生產(chǎn)過程中次生缺陷的發(fā)生概率,熱處理控制可以使鑄件獲得更加穩(wěn)定的綜合性能。

5.1 補焊工序控制

焊前準(zhǔn)備時,采用機械鉆孔冷作的方式鉆止裂孔,將裂紋兩端的末梢去除,以防止裂紋延展。用機床或由鉗工用角磨機打磨去除所有裂紋、砂眼、氣孔等。無損探傷后,確定無鑄造缺陷。焊絲選用TWE-711,直徑為1.2 mm,化學(xué)成分見表1。

表1 焊絲化學(xué)成分

補焊前,采用氧乙炔焰進(jìn)行局部預(yù)熱,預(yù)熱溫度為250～300 ℃,裂紋面積大或有多處裂紋,可采用整體預(yù)熱。使用氣體保護(hù)焊機,保護(hù)氣體選用80%氬氣+20%二氧化碳混合氣體。施焊過程中,盡可能保持平焊位置。要嚴(yán)格控制焊接熱輸入,選取較低焊接電流、電弧電壓,控制合適的保護(hù)氣流。焊接工藝參數(shù)見表2。焊后先局部烘烤20 min,然后覆蓋石棉布保溫緩冷,在300 ℃保溫1.5～2 h。鉗工打磨補焊部位平整。

表2 焊接工藝參數(shù)

5.2 熱處理工序控制

調(diào)質(zhì)處理前,行星架鑄件外部加工面通過磁粉探傷,內(nèi)腔非加工面采用超聲探傷,嚴(yán)格控制鑄件上的裂紋缺陷。淬火完成后,檢測行星架的本體硬度,根據(jù)所測數(shù)據(jù)調(diào)整回火工藝。回火采用水冷的方式,避免鑄件回火脆性的發(fā)生。

6 結(jié)束語

筆者分析采煤機行星架鑄件加工過程中的質(zhì)量控制規(guī)律,對行星架鑄件進(jìn)行工藝性結(jié)構(gòu)設(shè)計局部優(yōu)化,制訂合理的鑄造工藝流程,控制補焊和熱處理,進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)性能,降低故障率。對行星架鑄件進(jìn)行質(zhì)量優(yōu)化,為行星架產(chǎn)品量身打造工藝設(shè)計,從內(nèi)部質(zhì)量與機械性能表現(xiàn)兩方面對行星架產(chǎn)品的正常使用起到雙重保障,也為采煤機其它零部件的結(jié)構(gòu)性能改進(jìn)提供了參考。