袁岳東

常熟天地煤機(jī)裝備有限公司 江蘇蘇州 215500

1 序言

行星架作為采煤機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)最為重要的輸出構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在采煤機(jī)作業(yè)過程中承受很大的力矩。由于井下工作環(huán)境惡劣、采煤機(jī)工作時(shí)間長(zhǎng)、強(qiáng)度大，使行星架在使用過程中容易發(fā)生變形，甚至斷裂等故障，導(dǎo)致采煤機(jī)停機(jī)，甚至發(fā)生安全事故[1-3]，因此行星架必須具有優(yōu)異的力學(xué)性能。行星架一般采用鑄造工藝生產(chǎn)，先鑄造成結(jié)構(gòu)和尺寸接近成品的毛坯，再經(jīng)機(jī)加工和熱處理獲得滿足組織性能要求的成品。因此，為保證采煤機(jī)的安全運(yùn)行，行星架需具有高的鑄造質(zhì)量。

圖1所示為某機(jī)型采煤機(jī)行星架的三維實(shí)體。該行星架上下兩個(gè)側(cè)板間的4個(gè)三角形支撐立柱的長(zhǎng)度較為細(xì)長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在鑄造時(shí)易形成熱節(jié)分散，不利于補(bǔ)縮。另外，各個(gè)熱節(jié)之間的補(bǔ)縮通道又不暢通，極易產(chǎn)生疏松、縮孔、裂紋、夾渣和砂眼等鑄造缺陷。目前，我公司采煤機(jī)零件毛坯鑄件合格率在80%左右，而行星架毛坯鑄件合格率更低。行星架的鑄造質(zhì)量已嚴(yán)重制約企業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。為解決此問題，必須改進(jìn)現(xiàn)有鑄造工藝，提升行星架的鑄造質(zhì)量。

圖1 某機(jī)型采煤機(jī)行星架三維實(shí)體

經(jīng)過多年的發(fā)展，有限元模擬已廣泛應(yīng)用于鑄造生產(chǎn)。通過有限元模擬，闡明鑄造缺陷的形成原因，可為工藝的改善提供理論指導(dǎo)。有限元模擬在風(fēng)電和汽車行星架鑄造工藝改善中有較多應(yīng)用，并取得了顯著的成效[4-6]。因此，本文擬采用有限元軟件模擬采煤機(jī)行星架的鑄造過程，闡明缺陷形成的原因，并提出工藝改進(jìn)方法，最終獲得優(yōu)化的采煤機(jī)行星架鑄造工藝。

2 原鑄造工藝的不足

行星架材質(zhì)為ZG42CrMo，輪廓尺寸為φ694mm× 697mm，主要壁厚40～70mm，局部壁厚＞200mm，鑄件凈重為700kg，毛重為930kg?；瘜W(xué)成分和力學(xué)性能要求分別見表1、表2。圖2所示為行星架的原鑄造工藝方案。由于原鑄造工藝方案設(shè)計(jì)不完善，致使殼體中部連接上下殼體的4個(gè)立柱內(nèi)部出現(xiàn)疏松、縮孔等鑄造缺陷，如圖3所示。產(chǎn)生缺陷的主要原因是行星架上部圓柱體與4個(gè)立柱相交部位壁厚較小，在澆注過程中該位置鋼液冷卻、凝固較快，從而阻斷了冒口補(bǔ)縮通道，因此在4個(gè)立柱內(nèi)部極易出現(xiàn)疏松、縮孔等缺陷。

表1 行星架ZG42CrMo的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

表2 行星架ZG42CrMo的力學(xué)性能（調(diào)質(zhì)后）

圖2 采煤機(jī)行星架的原鑄造工藝方案

圖3 原鑄造方案生產(chǎn)采煤機(jī)行星架鑄件中的缺陷

3 鑄造工藝優(yōu)化

（1）鑄造工藝方案確定 鑄件采用整體實(shí)樣模砂箱造型生產(chǎn)方式，根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，考慮到有利于造型操作，將分型面設(shè)在行星架上部圓柱體與下部相交部位平面，圓柱體朝上。

（2）主要工藝參數(shù)

1）鑄造收縮率：行星架殼體內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁厚懸殊較大，鑄造收縮率整體選取為2.0%。

2）機(jī)加工余量：根據(jù)鑄造手冊(cè)，依據(jù)鑄件的最大尺寸，參考以往的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定鑄件的機(jī)加工余量為上面15mm、下面10mm、側(cè)面13mm、軸孔13mm。

（3）木模修改 將舊木模冒口臺(tái)全部拆除，按更改圖位置、尺寸制作冒口臺(tái)及補(bǔ)貼，冒口定位板統(tǒng)一厚度為15 ~18mm，冒口臺(tái)及補(bǔ)貼周邊圓角按R30mm做出。檢查外模和芯盒所有附砂面，如有油漆脫落、龜裂、勾砂等缺陷，則需全部修復(fù)。

（4）造型材料 為保證行星架鑄件的質(zhì)量及尺寸精度，鑄件砂型及砂芯均采用樹脂砂制作。砂型表面涂刷醇基鋯英粉涂料三遍，易粘砂部位多刷兩遍涂料，保證光滑均勻。在砂型的易粘砂部位及圓角處放置適量的鉻鐵礦砂。

（5）冒口設(shè)計(jì) 利用Proe三維繪圖軟件對(duì)行星架進(jìn)行三維制圖。根據(jù)以往的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)行星架殼體進(jìn)行補(bǔ)縮區(qū)域的初步劃分，每個(gè)補(bǔ)縮區(qū)域?qū)?yīng)一個(gè)冒口進(jìn)行補(bǔ)縮。通過冒口補(bǔ)縮部位熱節(jié)的大小確定冒口模數(shù)，最終確定采用4個(gè)保溫暗冒口，1個(gè)保溫明冒口。

（6）鑄造模擬 根據(jù)初步確定的鑄造工藝方案，對(duì)行星架用不同的冒口的形狀、大小、位置，澆注系統(tǒng)的澆道數(shù)量及位置，以及冷鐵的數(shù)量及擺放位置分別進(jìn)行模擬分析驗(yàn)證。

1）模擬方案1：模擬結(jié)果如圖4所示。模擬顯示，該方案生產(chǎn)的鑄件質(zhì)量較原工藝方案生產(chǎn)的鑄件質(zhì)量有了很大改善，無明顯可見大面積的疏松、縮孔等宏觀缺陷，但還存在細(xì)微的14處疏松、94個(gè)縮孔等缺陷。

圖4 模擬方案1的結(jié)果

2）模擬方案2：模擬方案2中將側(cè)澆注變成下注式澆注，模擬結(jié)果如圖5所示。模擬顯示，該方案生產(chǎn)的鑄件質(zhì)量相比原工藝方案生產(chǎn)鑄件的質(zhì)量有顯著改善，無明顯可見大面積的疏松、縮孔等宏觀缺陷?？s孔相比模擬1的鑄件有了明顯減少，但細(xì)微疏松有了顯著增加。

圖5 模擬方案2的結(jié)果

3）模擬方案3：綜合分析模擬方案1和模擬方案2中存在的問題，對(duì)鑄造工藝進(jìn)行優(yōu)化，并通過模擬軟件進(jìn)行分析計(jì)算驗(yàn)證形成最終工藝方案，模擬結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，冒口補(bǔ)縮滿足鑄件質(zhì)量要求，再進(jìn)一步細(xì)化模擬將冒口的尺寸降到最小，以達(dá)到降低成本的目的，并最終確定冒口和外冷鐵的數(shù)量及大小。

圖6 模擬方案3

（7）澆注系統(tǒng) 根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用底反式澆注系統(tǒng)，使鋼液上升平穩(wěn)，以避免出現(xiàn)紊流現(xiàn)象，有利于保證鑄件的內(nèi)部質(zhì)量。澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)成開放式，以達(dá)到快速澆注的目的，從而減少鑄型由于長(zhǎng)時(shí)間處于鋼液輻射的熱作用下引起的表面開裂、脫落，以及局部過熱和沖砂等造成的夾砂、裂紋和包砂等缺陷。所有澆注系統(tǒng)均由陶瓷管組成。

4 鑄造工藝優(yōu)化后的效果

采用優(yōu)化后的鑄造工藝方案生產(chǎn)了10批次共25個(gè)行星架，除1件由于切割冒口不當(dāng)引起切割面產(chǎn)生裂紋外，其余鑄件經(jīng)粗加工后檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)疏松、縮孔和裂紋等宏觀缺陷，鑄件全部合格。鑄件經(jīng)二級(jí)無損檢測(cè)，無明顯疏松、縮孔、裂紋等微觀缺陷，如圖7所示。

圖7 工藝改進(jìn)后的行星架鑄件

采用優(yōu)化工藝方案生產(chǎn)的行星架鑄件整體質(zhì)量得到提升，從鑄件初始狀態(tài)（鑄件正火交貨）的力學(xué)性能得到明顯改善方面可得到驗(yàn)證。由于鑄件缺陷得到有效控制，鑄件的致密度增加，微觀組織改善，所以使行星架熱處理工藝的質(zhì)量也得到保證。調(diào)質(zhì)工藝中的淬火冷卻由原來的油基淬火冷卻介質(zhì)改為較為劇烈的水基淬火冷卻介質(zhì)，增加了行星架的淬火硬度及有效硬化層深度，使行星架成品的綜合力學(xué)性能得到大幅度提高，并滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。行星架成品的力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果見表3。

表3 優(yōu)化工藝后行星架成品的力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

5 結(jié)束語

由于采煤機(jī)行星架兩個(gè)側(cè)板間的三角形支撐立柱尺寸較為細(xì)長(zhǎng)，因此阻礙了凝固過程中的金屬流動(dòng)，使此部位容易產(chǎn)生大量的疏松、縮孔等缺陷。本文通過有限元軟件模擬行星架的鑄造過程，優(yōu)化了原工藝。優(yōu)化后的鑄造工藝不僅解決了疏松、縮孔和裂紋等問題，而且鑄件質(zhì)量穩(wěn)定，鑄件質(zhì)量滿足圖樣設(shè)計(jì)要求，得到了客戶的認(rèn)可和好評(píng)。新工藝縮短了鑄件的加工周期，降低了生產(chǎn)成本，提升了生產(chǎn)效率，提高了鑄件的使用壽命，有著較好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。