大型風(fēng)電輪轂鑄造工藝設(shè)計(jì)

田 超，彭 倩

（陜西柴油機(jī)重工有限公司，陜西興平 713100）

目前，隨著社會(huì)生產(chǎn)力的高速發(fā)展及經(jīng)濟(jì)效益的不斷追求，全球能源消耗過大，不可再生資源已趨近枯竭。在這種形勢(shì)下，發(fā)展風(fēng)能、水能、太陽能等潔凈能源已成為時(shí)代潮流，尤其風(fēng)力發(fā)電已達(dá)到了空前的普及，較好的緩解了能源危機(jī)，帶來了客觀的經(jīng)濟(jì)效益。風(fēng)力發(fā)電設(shè)備是將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)機(jī)械能，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。風(fēng)輪由3 個(gè)葉片和1 個(gè)輪轂組成，輪轂是風(fēng)電設(shè)備關(guān)鍵的部件，連接葉片與主軸，其作用是承受風(fēng)力在葉片上的推力、扭矩、彎矩及陀螺力矩，然后將風(fēng)輪的力矩傳遞到機(jī)構(gòu)中去?？梢娸嗇炇秋L(fēng)輪至發(fā)電設(shè)備的重要零件，其結(jié)構(gòu)特殊、形狀復(fù)雜、體積大、加工難度大，加工質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)特別高。輪轂一般為球墨鑄鐵件，材質(zhì)QT400-18AL，在力學(xué)性能、金相組織、化學(xué)成分方面都有嚴(yán)格要求，必須經(jīng)過超聲波、磁粉探傷，不允許存在縮松、裂紋、氣孔、夾渣類缺陷。本文針對(duì)3.0MW 輪轂，按照傳統(tǒng)鑄造工藝設(shè)計(jì)流程，結(jié)合產(chǎn)品圖紙及球墨鑄鐵件技術(shù)條件，先進(jìn)行了工藝性分析，評(píng)估了實(shí)際生產(chǎn)過程原材料、設(shè)備、工裝、人員操作技能等環(huán)境要素，完善鑄造工藝設(shè)計(jì)方案，并試制成功，實(shí)現(xiàn)了滿足各項(xiàng)技術(shù)要求的鑄件批量化生產(chǎn)。

1 鑄件結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求

該輪轂為3MW 級(jí)輪轂，具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。輪廓尺寸為3425mm×3158mm×3111mm；毛重為21.2t；主要壁厚95mm；最小壁厚47 mm；最大壁厚150 mm。材料為QT400-18AL，鑄件的機(jī)械性能、金相組織要求及相關(guān)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)如下。

圖1 3.0MW 輪轂三維模型

機(jī)械性能：抗拉強(qiáng)度σb≥350MPa；屈服強(qiáng)度σs≥220MPa；斷后伸長(zhǎng)率A≥12%；硬度：120～175 HBW；三個(gè)試樣-40℃平均沖擊功Akv≥10J，個(gè)別≥7J。

金相組織：石墨球化率Ⅴ+Ⅵ≥90%；石墨大小5～7 級(jí)；基體組織鐵素體≥90%；本體表層球化率等級(jí)≥3 級(jí)。

驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)：100%超聲波探傷，參照EN12680-1-2、3 級(jí)及EN12680-2-1 級(jí)執(zhí)行；微觀組織參照GB 9441 執(zhí)行；著色滲透及磁粉探傷參照EN1369 執(zhí)行。

2 鑄件工藝性分析及風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)識(shí)別

3MW 輪轂輪廓尺寸及壁厚較大，主軸孔端面為厚大區(qū)域，且為鑄件最高點(diǎn)，鐵水在型腔上升過程冷卻時(shí)間最長(zhǎng)，流動(dòng)性逐漸降低，充型能力減弱，造成鐵水補(bǔ)縮效果變差，極易產(chǎn)生縮松缺陷；三面筋板方形凸臺(tái)較厚，且為鉆孔區(qū)域，對(duì)超聲、磁粉要求極高；導(dǎo)流孔端面及輪轂腰線部位凸臺(tái)為最大壁厚處，縮松風(fēng)險(xiǎn)較高。

該鑄件按0.8%縮尺進(jìn)行鑄造工藝設(shè)計(jì)，得毛重21.71t；按80%～85%工藝出品率計(jì)算，所需液重26t。在澆注充型過程，鐵水與砂型、芯接觸面積較大，充型時(shí)間較長(zhǎng)，大大增加了鑄件浮砂、夾砂、氧化夾渣、夾雜類風(fēng)險(xiǎn)，影響表面質(zhì)量。鐵水噸位大，澆注過程需保證大出流、無紊流、平穩(wěn)充型。

由于鐵水純凈度是影響鑄件質(zhì)量的重要因素，因此，對(duì)原輔材料品質(zhì)、爐前扒渣質(zhì)量及澆注過濾系統(tǒng)的可靠性要求極高。該輪轂從原輔材料準(zhǔn)備、造型過程、原鐵水質(zhì)量及熔化澆注過程必須嚴(yán)守工藝紀(jì)律，提高成品率。

綜上所述，該輪轂生產(chǎn)過程存在如下風(fēng)險(xiǎn)：

（1）鑄件體積、噸位較大。對(duì)砂箱尺寸、強(qiáng)度要求較高，需配套專用隨形砂箱，便于操作，同時(shí)可以減少填砂量；對(duì)起吊天車核載要求較高，且需配套專人操作。

（2）鑄件表面厚大區(qū)域及加工凸臺(tái)處縮松、裂紋、冷隔風(fēng)險(xiǎn)較高。

（3）型、芯制作過程，必須嚴(yán)格監(jiān)控型砂強(qiáng)度、水分等質(zhì)量指標(biāo)，提高鑄件表面質(zhì)量。

（4）澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)要合理規(guī)范，尤其鐵水過濾系統(tǒng)可靠性要高，降低夾雜類缺陷。

3 工藝方案設(shè)計(jì)

（1）該輪轂采用兩箱造型，主軸孔端面豎直朝上，分型面平行于主軸孔端面，且位于輪轂中心與三變漿法蘭面圓心所在平面的之間。在輪轂主軸孔/導(dǎo)流孔端面、筋板方形凸臺(tái)及內(nèi)側(cè)圓臺(tái)、變漿法蘭端面、球殼腰線部位凸臺(tái)布置平面冷鐵。具體見圖2 所示。

圖2 鑄件冷鐵布置

（2）澆注系統(tǒng)全部采用陶瓷管澆道，采用底注式。直澆道選用?100mm 厚壁瓷管（1 道），并在分型面處設(shè)置“S”形緩沖彎頭；設(shè)計(jì)專用砂芯橫澆道，采用“丁”字型組合過濾器（10 組，通過率10ppi）；內(nèi)澆道?60mm 瓷管（20 道），內(nèi)澆口為專用異形陶瓷管。A 直：A 橫：A 內(nèi)=0.13：0.3：1；在主軸孔端面布置6 個(gè)頂冒口，并在蓋箱頂面對(duì)應(yīng)位置反扣6 個(gè)保溫冒口，從而增強(qiáng)鐵水補(bǔ)縮效果，具體見圖3 所示。

圖3 鑄件澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（3）采用中頻感應(yīng)加熱爐，低硫優(yōu)質(zhì)廢鋼，優(yōu)質(zhì)生鐵，艾肯球化/孕育劑，回爐料按30%比例加入。

4 工藝方案實(shí)施結(jié)果

圖4 鑄件3D 掃描圖像

根據(jù)上述工藝方案連續(xù)投產(chǎn)了1#至5#共計(jì)5 件輪轂，機(jī)械性能、化學(xué)、金相組織均符合球磨鑄鐵件技術(shù)要求，清理拋丸后進(jìn)行VT、UT、MT 檢測(cè)，結(jié)果良好。對(duì)鑄件進(jìn)行了全尺寸3D 掃描，形狀、尺寸比較精確，質(zhì)量穩(wěn)定，如圖4 所示。

5 結(jié)語

按照以上3MW 輪轂鑄造工藝設(shè)計(jì)方案，并嚴(yán)格執(zhí)行過程質(zhì)量控制，順利完成了試生產(chǎn)，質(zhì)量穩(wěn)定可靠，固化該工藝后可進(jìn)行批量化生產(chǎn)。