王慎田

山推工程機械有限公司 山東濟寧 272000

1 序言

隨著我國機械化、一體化施工的不斷發(fā)展，帶動工程機械產(chǎn)業(yè)規(guī)模逐年擴大，其中挖掘機是規(guī)模最大、最重要的板塊，尤以中小挖掘機產(chǎn)品的需求增長更為明顯，競爭也越來越激烈。另外，客戶對于產(chǎn)品質(zhì)量的意識也在不斷提高，質(zhì)量可靠、價格低廉的產(chǎn)品越發(fā)受到客戶的青睞，其中引導輪作為挖掘機行走系統(tǒng)的重要組成部件，其性能可靠性變得更加重要。因此，解決引導輪存在的失效風險，同時開發(fā)出具有高可靠性結構的產(chǎn)品是客戶和制造商共同的期望。

2 背景

目前，工程機械市場上廣泛使用的中小挖掘機，其配套使用的引導輪結構以鑄造式單腹板為主（見圖1），但其使用性能的可靠性不穩(wěn)定，故障率較高。特別是鑄造結構樣式，由于其鑄造工藝固有的缺陷，如鑄造砂眼、縮松和晶粒度不良等，更增加了這種結構不可靠性的風險，嚴重時會發(fā)生工作面斷裂的情況（見圖2），造成整機行走系統(tǒng)失效。另外，鑄造過程中產(chǎn)生的缺陷會增大后續(xù)熱處理產(chǎn)生裂紋傾向，給熱處理工藝增加難度，造成成品率低，成本居高不下。此次研究以提升鑄造質(zhì)量為目標，分析鑄造過程中的各個過程，找到問題原因，并采取有效的改善措施，避免由于鑄造工藝產(chǎn)生的缺陷。

圖1 引導輪結構

圖2 工作面斷裂

3 現(xiàn)狀分析及要因確認

通過對失效件采用要因圖方法進行分析，引導輪由鑄造原因引發(fā)工作面斷裂的原因如下。

1）鑄造產(chǎn)生砂眼、氣孔等缺陷（見圖3），會導致產(chǎn)生潛在裂紋的風險。

現(xiàn)在鑄鋼式引導輪普遍采用水玻璃砂造型工藝，砂型在澆注前要求徹底烘干。為進一步提升鑄鋼件表面質(zhì)量，面砂表面要刷涂料，以提升砂型表面強度，封閉砂型及砂芯表面空隙，改善澆注過程中沖砂引起的夾砂及砂眼產(chǎn)生。一方面，若砂型烘干不充分，會造成澆注過程中產(chǎn)生的大量氣體無法及時排出，此外若澆注速度控制不合理，也會造成型腔內(nèi)氣體排放不及時而形成氣孔。另一方面，砂型沒處理干凈或砂型強度低，小塊砂在澆注過程中被鋼液包裹至引導輪體或踏面處，車削加工時砂被釋放而形成凹坑。再者，修型不徹底、砂型表面浮砂而導致鑄造麻坑。以上幾種情況均會使引導輪形成潛在的失效風險，需要解決。

2）工作面厚度尺寸過小。

工作面位置厚度尺寸與中間部位相比，厚薄差別懸殊，鋼液在該位置冷卻速度過快，易產(chǎn)生應力裂紋（見圖4）。

圖3 砂眼缺陷

圖4 應力裂紋

4 改進方案

（1）鑄造工藝改進方案 砂眼和氣孔等缺陷采取改進措施如下。

1）適當增加砂型烘烤至2~3遍，避免潮濕氣體殘留。

2）控制澆注速度，標準化每包合理澆注時間及末包澆注溫度。

3）在澆注過程中，可改用小包澆注，做到平穩(wěn)，防止沖砂。

4）優(yōu)化混砂配比，降低砂型的表面粗糙度值，提高緊實度。

5）刷涂料時涂刷要均勻。

6）每爐次鋼液出爐前進行測溫，將鋼液溫度控制在1550~1650℃后再進行澆注。

7）加強生產(chǎn)過程中產(chǎn)品質(zhì)量的檢查力度，設專職造型檢查員。

（2）鑄造結構設計改進 由于輪體踏面外邊緣薄，中間部位較厚，且厚薄變化過于懸殊（見圖5），使得此處在鑄造過程中冷卻速度過快，外邊緣與中間部位的體積收縮不同，因此容易產(chǎn)生裂紋及縮松（見圖6）。在熱處理加熱過程中，由于工作面位置壁薄，透熱性較好，當中間壁厚的位置加熱到所要求的溫度830℃時，其明顯薄的工作面位置處的溫度會變的更高，這樣使得鑄件局部過熱，在冷卻過程中較快的冷卻速度也容易產(chǎn)生裂紋，或發(fā)生過燒現(xiàn)象而產(chǎn)生裂紋，這種裂紋為鋸齒狀分布，并伴隨有表面馬氏體組織較粗大而沿晶開裂（見圖7）。此外，通過建立力學-數(shù)學模型分析，踏面部可看作懸臂梁模型，輪體踏面部在機器工作時受到載荷作用，會產(chǎn)生反復變形，易導致疲勞斷裂。因此，加厚踏面尺寸，可以有效地緩解甚至消除疲勞破壞。經(jīng)過有限元分析計算可得：引導輪體適當加厚5mm，則最大變形量僅為更改前的82.1%，同時能夠減緩厚薄過渡程度，減緩鋼液在薄壁位置的冷卻速度，進一步改善澆注工藝性，提高鋼液的流動性及補縮能力。

圖5 輪體踏面

圖6 縮松缺陷

圖7 沿晶開裂

5 實施效果

經(jīng)過在國內(nèi)一家知名引導輪制造企業(yè)分階段實施上述改進方案，當鑄造工藝改進方案實施后，引導輪體的鑄造不合格率由12.98%降到3.46%，進一步實施鑄造結構改進方案后，不合格率進一步降低到0.49%以下，甚至一些鑄造生產(chǎn)批次實現(xiàn)了不合格率是0的質(zhì)量狀態(tài)。經(jīng)過兩次改善方案的實施，降低了損失，節(jié)約了制造成本，同時提升了生產(chǎn)效率，取得了良好效果。

6 結束語

本次研究解決了挖掘機單腹板鑄鋼式引導輪鑄造成品率低的問題。同時，通過數(shù)學模擬分析進一步優(yōu)化了鑄造設計尺寸，并最終通過應用至實際生產(chǎn)制造中，驗證了改善方案的正確性及可靠性，對鑄鋼式引導輪制造行業(yè)具有一定的指導意義。