林敬闖

摘要：電動輪機座為礦用自卸車的驅(qū)動輪機架，近年來使用時出現(xiàn)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(yōu)化了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及鑄造工藝，解決了機座鑄件開裂問題，提高產(chǎn)品壽命。

關(guān)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(qū)的重要部件，負責車輛的驅(qū)動、制動、承載，受力情況復(fù)雜，任何缺陷的出現(xiàn)，或應(yīng)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(yè)的非公路運輸發(fā)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(xiàn)損壞問題變得越來越頻繁，部分機座甚至還產(chǎn)生裂紋引起報廢，縮短了機座壽命，給公司的生產(chǎn)、維護造成了很大的困難，也破壞了產(chǎn)品在客戶心中的形象。

為分析裂紋產(chǎn)生原因，通過對已經(jīng)報廢的機座進行破壞性解體檢測，確定了導(dǎo)致機座開裂，壽命縮短的最直接原因為鑄件原材料存在內(nèi)部缺陷，因此進行鑄造CAE模擬分析，提高鑄件合格率，消除內(nèi)部缺陷是很有必要的。其次通過對機座的受力分析發(fā)現(xiàn)鑄件開裂部位同時也為受力較大部位，因此通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化減小應(yīng)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(jié)構(gòu)受力分析

①根據(jù)分析機座的載荷和使用情況，設(shè)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(yīng)力水平最大為359MPa，應(yīng)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(yīng)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(chǎn)品產(chǎn)生裂紋失效主要集中在最大應(yīng)力位置附近，因此對此處進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減少應(yīng)力水平十分有必要。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，消除圓角處過渡臺階后應(yīng)力水平降低114.3MPa，最大應(yīng)力降為244.7MPa，同時得出結(jié)論圓角處為鑄件受力較大的部位，在產(chǎn)品的鑄造過程中應(yīng)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(zhì)量，對機座鑄件的鑄造工藝必須嚴格控制。在工藝設(shè)計時必須確保內(nèi)部組織的致密，確保鑄件內(nèi)部無縮松、縮孔、裂紋等鑄造缺陷。通過對機座鑄件的結(jié)構(gòu)分析，其基本參數(shù)見表2，ZG40Cr屬于國內(nèi)常用合金鑄鋼材質(zhì)，考慮鑄造工藝不合理易出現(xiàn)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(shè)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(xiàn)鑄造缺陷的部位進行預(yù)測，在制造前即可分析優(yōu)化工藝。

2.1 三維建模

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

2.2 網(wǎng)格劃分

在鑄造CAE模擬分析軟件中劃分網(wǎng)格也是保證分析結(jié)果正確的關(guān)鍵。由于鑄件最小壁厚只有30，設(shè)置網(wǎng)格大小為10，既保證了模型網(wǎng)格的全接觸，又保證了最薄部位至少有3個網(wǎng)格。這樣既可充分保證模擬結(jié)果的真實性，又減少了模擬分析的數(shù)據(jù)量。

2.3 計算分析及結(jié)果

2.3.1 計算參數(shù)選擇

由于鑄造CAE軟件是根據(jù)材料的參數(shù)如密度、導(dǎo)熱系數(shù)、熱容、潛熱等進行的溫度傳導(dǎo)模擬，材料庫內(nèi)已對常用材料的參數(shù)賦值，計算分析時只需對各個模型選擇相應(yīng)的材質(zhì)，再根據(jù)工藝參數(shù)及環(huán)境溫度情況設(shè)定初始溫度（計算參數(shù)選擇見表3）。

2.3.2 凝固模擬分析結(jié)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(guān)鍵判據(jù)，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(nèi)不存在大的體積收縮。通過對剖面分析鑄件內(nèi)部在厚度為46mm厚中間薄壁法蘭上縮松概率40-50%，可能會產(chǎn)生局部縮松，需加大冷鐵的激冷效果;原鑄件容易出現(xiàn)開裂的R50圓弧部位縮松概率低，鑄造工藝滿足生產(chǎn)要求。

3 ?機座鑄件生產(chǎn)

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(yè)指導(dǎo)書和技術(shù)員現(xiàn)場指導(dǎo)相結(jié)合的方式指導(dǎo)生產(chǎn)，制作鑄造工藝圖，對澆口、冒口、冷鐵的大小及位置，關(guān)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(chǎn)生模擬預(yù)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(yù)計48-54小時鑄件溫度可降至600℃以下，設(shè)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(xù)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(zhì)量，與探傷設(shè)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(xiàn)公司生產(chǎn)交付的機座鑄件所有部位符合技術(shù)要求，無超標鑄造缺陷。

通過此次的鑄件生產(chǎn)制造，我們確認了前期的CAE分析結(jié)果對實際生產(chǎn)的工藝設(shè)計具有指導(dǎo)意義，通過鑄造CAE模擬分析可真實反映鑄造生產(chǎn)中可能遇到的問題，有效的預(yù)防鑄造缺陷產(chǎn)生。在對機座鑄件產(chǎn)品的質(zhì)量改進中，通過進行針對性的結(jié)構(gòu)受力分析和鑄件模擬分析，優(yōu)化受力結(jié)構(gòu)，預(yù)測并避免鑄造缺陷，可為產(chǎn)品質(zhì)量提升提供具有指導(dǎo)意義的理論判據(jù)。

參考文獻：

[1]王世昕.CAE模擬技術(shù)在鑄鋼件工藝設(shè)計中的應(yīng)用[J].鑄造，2015（03）：89-92.

[2]田學(xué)雷，李成棟，劉志勇，等.鑄鋼件凝固模擬中對多個縮孔的預(yù)測技術(shù)[J].中國鑄造裝備與技術(shù)，2001（005）：16-17.

[3]張海濤，唐紅濤，陳濤.鑄造CAE技術(shù)及其在鑄鋼件的應(yīng)用[C]//2019重慶市鑄造年會.2019.

[4]馬進.一種汽輪機類大型鑄鋼件開裂問題的分析改進[J].中國鑄造裝備與技術(shù)，2016.