船用推進電機大型鑄鋁合金風扇的工藝探討

王岳元，吳建全

(上海電氣集團上海電機廠有限公司，上海 200240)

0 引言

船用電力推進電機，世界上發達國家早在二十世紀九十年代就開始研究。我國起步較晚，此電機的成功研制可大幅提升我國海上競爭力。船用推進電機中的鋁合金風扇，如圖1，是電機中核心零部件之一，其外圓尺寸達兩米多、表面多為曲面、整體壁厚偏薄等特點給生產制造帶來了較大的困難。通過對鑄造工藝方案、選材、坭芯、冒口等鑄造工藝參數進行分析、試驗，最后成功的摸索出一條可行工藝，按時生產出符合設計的鑄鋁合金風扇。

圖1 鋁合金風扇圖樣

1 工藝的選擇與優化

1.1 工藝方案

風扇為兩片對拼結構，鑄出整圓后再切開，與鑄出兩半圓后再拼接這兩種方式都可滿足要求。鑄件做整圓之后通過線切割方式切開，可有效降低拼接面的不平整以及壁厚的不均勻，增加表觀質量以及穩定性。然而風扇尺寸達兩米多，周邊沒有滿足加工如此大尺寸的線切割機器，且鑄造廠需額外增加大砂箱等工裝。再則采用半圓造型，可以降低模具成本與鑄造難度，故權衡之下選用兩個半圓拼接的方案。

1.2 坭芯的類型

考慮到單個坭芯的累計誤差，最初決定采用坭芯整體式，如圖2。但在實際造型過程中發現，坭芯中部被數個導風筋割裂并且坭芯兩端起連接作用的坭芯頭偏小，導致吊運時坭芯不足以支撐其重量，有斷裂的風險。于是對原模具進行適當改造，將坭芯做成單獨的小塊，如圖3，然后再分開落坭芯。模具改制過程中注意需重新做定位，并且將各個坭芯隔開，在落坭芯時利用坭芯頭定位以及卡板校調來減少累計誤差，減少鑄件的壁厚不均勻[1]。

圖2 整體式坭芯

圖3 單獨式小坭芯

1.3 對接面變形的控制

整個風扇由兩個半圓對拼而成，其中一個需要旋轉180°與另一個對接。因鑄件形狀復雜，在凝固與冷卻的過程中會產生不一致的收縮變形，此外落坭芯過程也會產生誤差，這些因素都可能導致兩個半圓對接不上，工藝上采用在對接部位增加三根加強筋，如圖4，有效減少凝固冷卻過程中界面的變形，降低因變形而無法對接的風險。

圖4 對拼處的加強筋

然而在實際生產中由于手工生產以及局部鑄造收縮率不一致等原因，對接后對拼面總會存在凸臺或者不平整，如圖5。只有通過后期金加工或者打磨處理，來進一步提高對接的準確性和平整度。

圖5 拼接處的凸臺

1.4 存在澆不足的風險

風扇外圍尺寸達2 m多，形狀復雜而總體壁厚偏薄，個別地方僅為6 mm左右。澆注過程中，鋁液通過壁薄處可能會凝固導致冷隔缺陷，直接引起鑄件的報廢。合適的選材較為關鍵，ZL101A屬Al-Si-Mg系合金，它具有良好的流動性、氣密性以及熱裂傾向，可減少澆不足風險。此外，通過適當提高澆注速度以及采用較高的溫度澆注，可以提高金屬液的流動性，因此也有利于解決這一問題[2]。

1.5 冒口

最初的工藝是在中部放腰型冒口、外圍放圓柱形冒口，如圖6。然而鑄件清理后發現外圍圓柱冒口下方存在缺陷，如圖7，經分析這是因為外圍圓柱冒口沒起到補縮作用，反而發生了反補縮導致的，也就是說冒口先于鑄件本體凝固，以至冒口下方金屬液反向補縮給冒口。后將外圍的圓柱冒口改為出氣孔，保留中部腰形冒口，保證出氣順暢、同時避免反補縮現象的發生，鑄出的鑄件符合要求，見圖8、9。

圖6 原冒口工藝

圖7 外圍圓柱冒口設置不當引起的反補縮

圖8 加工后的鋁合金風扇

圖9 成品鑄鋁風扇

2 結語

通過試驗最終選擇兩半圓的鑄造工藝方式、分塊式的小坭芯并添加工藝筋，適當提高澆注溫度與澆注速度、及合適的冒口等工藝，成功研制出了符合要求的鑄鋁合金風扇，極大的支撐了我國特種電機產品的開發。