銅蝸輪制造工藝的改進

伍俊杰，余明儀

（廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州 545007）

銅蝸輪是平地機核心零部件——蝸輪箱的重要零部件，負責將動力傳遞至工作裝置，使之進行回轉運動。在這工作過程中，銅蝸輪會受到沖擊負荷，容易發生斷裂事故。

銅蝸輪的產品品質，直接影響整機性能。目前市場反饋主要為銅蝸輪開裂，平均故障時間約為250 h，其中46%為100 h以內的早期故障，市場外反饋率為1.94%。

銅蝸輪結構形式為銅鐵合鑄，外層為銅內層為鐵，通過鑄造將兩種材料連接在一起（如圖1）。

圖1 銅蝸輪的結構形式

1 銅蝸輪斷裂原因分析

經采用目測及電子顯微鏡等手段，對銅蝸輪斷面進行了分析研究（如圖2～圖4）。

圖2 斷裂面鑄銅內表面有明顯的鑄造缺陷、夾雜

圖3 斷裂面裂紋源位于銅內表面鑄造缺陷、夾雜處，先期斷裂面有明顯的氧化色

圖4 100X顯微鏡下，鑄銅件第二相分布均勻，可見孔洞、夾雜

圖5 100X顯微鏡下，銅鑄件平均晶粒度為3

對上列4張圖片作進一步分析，可以得出以下結論：

（1）銅蝸輪鑄造工藝不合理，鑄造品質控制薄弱；

（2）鑄造應力大，應力釋放造成了從鑄造缺陷處斷裂。

2 方案制定及實施效果

針對鑄造工藝不合理與鑄造品質控制薄弱的問題，采取改進鑄造工藝，控制鑄造品質的方案；

針對鑄造應力大，應力釋放造成從鑄造缺陷處斷裂，采取熱處理去應力及更改結構形式兩種方案。

2.1 改進鑄造工藝、控制鑄造品質

改進鑄造工藝，對比不同鑄造工藝的鑄造品質與應力狀況，降低鑄造雜質并改善銅鑄件的晶粒度。最終選擇鐵芯鑄造，加工好后，在鐵芯澆鑄銅時，采用離心鑄造的方法。控制鑄造品質，要求鑄造廠家每爐鑄件須提供規定形狀的試樣一件及檢驗報告一份，并要求質檢部門按規定頻次抽檢（圖6、圖7）。

圖6 試樣

圖7 試樣圖

3.2 研究熱處理去應力的可行性

根據金屬材質制定固溶高溫時效與固溶中溫時效兩種熱處理方法，并跟蹤試驗兩種方案。

（1）固溶高溫時效。加熱820～850℃，保溫3 h，水冷，600℃退火。

（2）固溶中溫時效。加熱820～850℃，保溫3 h，水冷，500℃退火。

圖8 經退火處理的銅蝸輪

圖9 未經退火處理的銅蝸輪

經過熱處理的銅蝸輪，在晶粒度方面均有提升，但通過破壞性試驗，發現銅蝸輪仍有開裂的現象，可見熱處理能起到一定的效果，但尚不能完全滿足目標的要求。

3.3 研究更改結構形式以減少應力的可行性

原銅蝸輪結構為銅鐵合鑄。在鑄造過程中，因銅與鐵的收縮率不一致，造成鑄造應力大。

為減少應力，研究更改結構形式為鑲嵌裝配式。將銅與鐵分別鑄造加工，通過配合與螺釘連接。經破壞性試驗，發現銅蝸輪開裂的比率有明顯下降。

圖10 銅蝸輪結構形式的更改

3.4 效果驗證

通過無損檢測及溫度急劇變化的破壞性試驗，確定改進效果，改進后的銅蝸輪自2010年后無品質問題反饋。

4 結束語

通過改進鑄造工藝、控制鑄造品質、熱處理去應力與結構形式的改變，可以有效地改進銅蝸輪斷裂的品質問題。

[1]GB 1176-87，鑄造銅合金技術條件[S].

[2]GB/T 228-2002，金屬材料拉伸試驗[S].

[3]成大先.機械設計手冊（第三版）[M].北京：化學工業出版社，1999.