大型风电轮毂铸造工艺设计

田 超，彭 倩

（陕西柴油机重工有限公司，陕西兴平 713100）

目前，随着社会生产力的高速发展及经济效益的不断追求，全球能源消耗过大，不可再生资源已趋近枯竭。在这种形势下，发展风能、水能、太阳能等洁净能源已成为时代潮流，尤其风力发电已达到了空前的普及，较好的缓解了能源危机，带来了客观的经济效益。风力发电设备是将风的动能转变为旋转机械能，从而带动发电机发电。风轮由3 个叶片和1 个轮毂组成，轮毂是风电设备关键的部件，连接叶片与主轴，其作用是承受风力在叶片上的推力、扭矩、弯矩及陀螺力矩，然后将风轮的力矩传递到机构中去。可见轮毂是风轮至发电设备的重要零件，其结构特殊、形状复杂、体积大、加工难度大，加工质量风险特别高。轮毂一般为球墨铸铁件，材质QT400-18AL，在力学性能、金相组织、化学成分方面都有严格要求，必须经过超声波、磁粉探伤，不允许存在缩松、裂纹、气孔、夹渣类缺陷。本文针对3.0MW 轮毂，按照传统铸造工艺设计流程，结合产品图纸及球墨铸铁件技术条件，先进行了工艺性分析，评估了实际生产过程原材料、设备、工装、人员操作技能等环境要素，完善铸造工艺设计方案，并试制成功，实现了满足各项技术要求的铸件批量化生产。

1 铸件结构及技术要求

该轮毂为3MW 级轮毂，具体结构如图1 所示。轮廓尺寸为3425mm×3158mm×3111mm；毛重为21.2t；主要壁厚95mm；最小壁厚47 mm；最大壁厚150 mm。材料为QT400-18AL，铸件的机械性能、金相组织要求及相关验收标准如下。

图1 3.0MW 轮毂三维模型

机械性能：抗拉强度σb≥350MPa；屈服强度σs≥220MPa；断后伸长率A≥12%；硬度：120～175 HBW；三个试样-40℃平均冲击功Akv≥10J，个别≥7J。

金相组织：石墨球化率Ⅴ+Ⅵ≥90%；石墨大小5～7 级；基体组织铁素体≥90%；本体表层球化率等级≥3 级。

验收标准：100%超声波探伤，参照EN12680-1-2、3 级及EN12680-2-1 级执行；微观组织参照GB 9441 执行；着色渗透及磁粉探伤参照EN1369 执行。

2 铸件工艺性分析及风险点识别

3MW 轮毂轮廓尺寸及壁厚较大，主轴孔端面为厚大区域，且为铸件最高点，铁水在型腔上升过程冷却时间最长，流动性逐渐降低，充型能力减弱，造成铁水补缩效果变差，极易产生缩松缺陷；三面筋板方形凸台较厚，且为钻孔区域，对超声、磁粉要求极高；导流孔端面及轮毂腰线部位凸台为最大壁厚处，缩松风险较高。

该铸件按0.8%缩尺进行铸造工艺设计，得毛重21.71t；按80%～85%工艺出品率计算，所需液重26t。在浇注充型过程，铁水与砂型、芯接触面积较大，充型时间较长，大大增加了铸件浮砂、夹砂、氧化夹渣、夹杂类风险，影响表面质量。铁水吨位大，浇注过程需保证大出流、无紊流、平稳充型。

由于铁水纯净度是影响铸件质量的重要因素，因此，对原辅材料品质、炉前扒渣质量及浇注过滤系统的可靠性要求极高。该轮毂从原辅材料准备、造型过程、原铁水质量及熔化浇注过程必须严守工艺纪律，提高成品率。

综上所述，该轮毂生产过程存在如下风险：

（1）铸件体积、吨位较大。对砂箱尺寸、强度要求较高，需配套专用随形砂箱，便于操作，同时可以减少填砂量；对起吊天车核载要求较高，且需配套专人操作。

（2）铸件表面厚大区域及加工凸台处缩松、裂纹、冷隔风险较高。

（3）型、芯制作过程，必须严格监控型砂强度、水分等质量指标，提高铸件表面质量。

（4）浇注系统设计要合理规范，尤其铁水过滤系统可靠性要高，降低夹杂类缺陷。

3 工艺方案设计

（1）该轮毂采用两箱造型，主轴孔端面竖直朝上，分型面平行于主轴孔端面，且位于轮毂中心与三变浆法兰面圆心所在平面的之间。在轮毂主轴孔/导流孔端面、筋板方形凸台及内侧圆台、变浆法兰端面、球壳腰线部位凸台布置平面冷铁。具体见图2 所示。

图2 铸件冷铁布置

（2）浇注系统全部采用陶瓷管浇道，采用底注式。直浇道选用ø100mm 厚壁瓷管（1 道），并在分型面处设置“S”形缓冲弯头；设计专用砂芯横浇道，采用“丁”字型组合过滤器（10 组，通过率10ppi）；内浇道ø60mm 瓷管（20 道），内浇口为专用异形陶瓷管。A 直：A 横：A 内=0.13：0.3：1；在主轴孔端面布置6 个顶冒口，并在盖箱顶面对应位置反扣6 个保温冒口，从而增强铁水补缩效果，具体见图3 所示。

图3 铸件浇注系统设计

（3）采用中频感应加热炉，低硫优质废钢，优质生铁，艾肯球化/孕育剂，回炉料按30%比例加入。

4 工艺方案实施结果

图4 铸件3D 扫描图像

根据上述工艺方案连续投产了1#至5#共计5 件轮毂，机械性能、化学、金相组织均符合球磨铸铁件技术要求，清理抛丸后进行VT、UT、MT 检测，结果良好。对铸件进行了全尺寸3D 扫描，形状、尺寸比较精确，质量稳定，如图4 所示。

5 结语

按照以上3MW 轮毂铸造工艺设计方案，并严格执行过程质量控制，顺利完成了试生产，质量稳定可靠，固化该工艺后可进行批量化生产。