大型電動輪機座制造工藝改進

林敬闖

摘要：電動輪機座為礦用自卸車的驅動輪機架，近年來使用時出現了機座鑄件開裂、使用壽命短的問題，通過計算機模擬分析軟件對葉輪的受力及鑄造工藝進行分析，研究了機座鑄件的受力狀況以及鑄造凝固特點，優化了產品結構及鑄造工藝，解決了機座鑄件開裂問題，提高產品壽命。

關鍵詞：電動輪機座;受力分析;鑄造CAE;低合金鋼鑄件

0 ?引言

電動輪機座是礦用自卸車電驅的重要部件，負責車輛的驅動、制動、承載，受力情況復雜，任何缺陷的出現，或應力集中都可能給機座的使用壽命造成影響，近年來礦山行業的非公路運輸發展較快，隨著卡車運行時間的延長，部分礦山還有超載嚴重的問題，電動輪機座在使用過程中出現損壞問題變得越來越頻繁，部分機座甚至還產生裂紋引起報廢，縮短了機座壽命，給公司的生產、維護造成了很大的困難，也破壞了產品在客戶心中的形象。

為分析裂紋產生原因，通過對已經報廢的機座進行破壞性解體檢測，確定了導致機座開裂，壽命縮短的最直接原因為鑄件原材料存在內部缺陷，因此進行鑄造CAE模擬分析，提高鑄件合格率，消除內部缺陷是很有必要的。其次通過對機座的受力分析發現鑄件開裂部位同時也為受力較大部位，因此通過結構優化減小應力水平，也是提高機座使用壽命的另一個必要途徑。

1 ?鑄件結構受力分析

①根據分析機座的載荷和使用情況，設置約束為機座與后橋殼接觸面（見圖1），載荷情況見表1。

②鑄件材料性能要求：ReH≥450N/mm、Rm≥650N/mm、A≥15%、Z≥20%。

通過分析，機座在圖2所示R50圓弧處，所受應力水平最大為359MPa，應力雖然未超出材料的屈服強度，但考慮鑄件在此部位若存在鑄造缺陷，當最大應力與缺陷位置重合時，鑄件的開裂風險將大大增加，且實際產品產生裂紋失效主要集中在最大應力位置附近，因此對此處進行結構優化，減少應力水平十分有必要。通過結構優化，消除圓角處過渡臺階后應力水平降低114.3MPa，最大應力降為244.7MPa，同時得出結論圓角處為鑄件受力較大的部位，在產品的鑄造過程中應避免此部位的鑄造缺陷。

2 ?鑄件的凝固模擬分析

機座采用鑄件與焊接件筒體焊接而成，其中受力較大部位由ZG40Cr鑄件鑄造而成，為確保鑄件質量，對機座鑄件的鑄造工藝必須嚴格控制。在工藝設計時必須確保內部組織的致密，確保鑄件內部無縮松、縮孔、裂紋等鑄造缺陷。通過對機座鑄件的結構分析，其基本參數見表2，ZG40Cr屬于國內常用合金鑄鋼材質，考慮鑄造工藝不合理易出現鑄造缺陷，還將影響模具的制造，增加制造周期。在鑄件制作前，我們必須對鑄造工藝進行鑄造模擬分析，以確保工藝的可行性。初步工藝設計完成后，通過鑄造CAE模擬分析軟件對工藝進行了分析，對可能出現鑄造缺陷的部位進行預測，在制造前即可分析優化工藝。

2.1 三維建模

在模擬分析中為保證分析結果正確，必須有準確的三維模型，建模時根據鑄件的結構特點及要求，鑄件、冒口、澆口、冒口套等工藝相關模型需分別進行三維建模以保證可分別設置計算參數（見圖3）。

2.2 網格劃分

在鑄造CAE模擬分析軟件中劃分網格也是保證分析結果正確的關鍵。由于鑄件最小壁厚只有30，設置網格大小為10，既保證了模型網格的全接觸，又保證了最薄部位至少有3個網格。這樣既可充分保證模擬結果的真實性，又減少了模擬分析的數據量。

2.3 計算分析及結果

2.3.1 計算參數選擇

由于鑄造CAE軟件是根據材料的參數如密度、導熱系數、熱容、潛熱等進行的溫度傳導模擬，材料庫內已對常用材料的參數賦值，計算分析時只需對各個模型選擇相應的材質，再根據工藝參數及環境溫度情況設定初始溫度（計算參數選擇見表3）。

2.3.2 凝固模擬分析結果

凝固模擬分析主要反映鑄件上各部位的溫度變化趨勢和最后凝固部位及收縮量，進而判定各部位的凝固先后順序，是鑄件工藝模型中縮孔、縮松位置的關鍵判據，通過對此機座鑄件的工藝模擬分析（見圖4），我們判定鑄件內不存在大的體積收縮。通過對剖面分析鑄件內部在厚度為46mm厚中間薄壁法蘭上縮松概率40-50%，可能會產生局部縮松，需加大冷鐵的激冷效果;原鑄件容易出現開裂的R50圓弧部位縮松概率低，鑄造工藝滿足生產要求。

3 ?機座鑄件生產

3.1 制模、造型、熔煉、澆注

模具制造按照工藝建模時的尺寸放加工余量及縮尺進行制造，造型過程中，通過作業指導書和技術員現場指導相結合的方式指導生產，制作鑄造工藝圖，對澆口、冒口、冷鐵的大小及位置，關鍵造型尺寸和控制要點進行明確。確保了不會由于造型的工藝正確，不產生模擬預測之外的缺陷。為保證鑄件成分和機械性能符合要求，通過分析計算所有原材料的成分及熔煉收得率，合理配料，確保原材料的所有成分受控;鋼水熔煉采用中頻爐，熔煉過程中通過光譜分析儀化驗熔透后、出爐前鋼水成分，確保出爐鋼水的成分合格。

3.2 打箱、清理

考慮鑄件材料碳當量較高，室溫切割冒口有較高的裂紋傾向，冒口需高溫切割，通過分析鑄件散熱情況，預計48-54小時鑄件溫度可降至600℃以下，設定打箱時間48-54小時，考慮清理切割冒口時是逐個切割，且切割時間較長，采取逐個清理、切割，對沒切割的冒口以及切割完成的冒口繼續用型砂覆蓋，確保冒口溫度緩慢下降，利于熱割冒口、減小裂紋傾向。

4 ?鑄件檢驗驗證

通過CAE分析和詳細的過程策劃后，首件機座鑄件在開箱清理后，通過檢測除鑄件表面有少量氣孔、渣孔、粘砂之外，無其它影響鑄件使用性能的缺陷。同時為保證鑄件檢測的準確性，確保鑄件在易開裂部位的質量，與探傷設備制造廠家合作，制作了超聲波檢測圓角部位的專用探頭。通過圓角專用探頭的檢測圓角部位，直探頭檢測平面部位，現公司生產交付的機座鑄件所有部位符合技術要求，無超標鑄造缺陷。

通過此次的鑄件生產制造，我們確認了前期的CAE分析結果對實際生產的工藝設計具有指導意義，通過鑄造CAE模擬分析可真實反映鑄造生產中可能遇到的問題，有效的預防鑄造缺陷產生。在對機座鑄件產品的質量改進中，通過進行針對性的結構受力分析和鑄件模擬分析，優化受力結構，預測并避免鑄造缺陷，可為產品質量提升提供具有指導意義的理論判據。

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