大型电动轮机座制造工艺改进

林敬闯

摘要：电动轮机座为矿用自卸车的驱动轮机架，近年来使用时出现了机座铸件开裂、使用寿命短的问题，通过计算机模拟分析软件对叶轮的受力及铸造工艺进行分析，研究了机座铸件的受力状况以及铸造凝固特点，优化了产品结构及铸造工艺，解决了机座铸件开裂问题，提高产品寿命。

关键词：电动轮机座;受力分析;铸造CAE;低合金钢铸件

0  引言

电动轮机座是矿用自卸车电驱的重要部件，负责车辆的驱动、制动、承载，受力情况复杂，任何缺陷的出现，或应力集中都可能给机座的使用寿命造成影响，近年来矿山行业的非公路运输发展较快，随着卡车运行时间的延长，部分矿山还有超载严重的问题，电动轮机座在使用过程中出现损坏问题变得越来越频繁，部分机座甚至还产生裂纹引起报废，缩短了机座寿命，给公司的生产、维护造成了很大的困难，也破坏了产品在客户心中的形象。

为分析裂纹产生原因，通过对已经报废的机座进行破坏性解体检测，确定了导致机座开裂，寿命缩短的最直接原因为铸件原材料存在内部缺陷，因此进行铸造CAE模拟分析，提高铸件合格率，消除内部缺陷是很有必要的。其次通过对机座的受力分析发现铸件开裂部位同时也为受力较大部位，因此通过结构优化减小应力水平，也是提高机座使用寿命的另一个必要途径。

1  铸件结构受力分析

①根据分析机座的载荷和使用情况，设置约束为机座与后桥壳接触面（见图1），载荷情况见表1。

②铸件材料性能要求：ReH≥450N/mm、Rm≥650N/mm、A≥15%、Z≥20%。

通过分析，机座在图2所示R50圆弧处，所受应力水平最大为359MPa，应力虽然未超出材料的屈服强度，但考虑铸件在此部位若存在铸造缺陷，当最大应力与缺陷位置重合时，铸件的开裂风险将大大增加，且实际产品产生裂纹失效主要集中在最大应力位置附近，因此对此处进行结构优化，减少应力水平十分有必要。通过结构优化，消除圆角处过渡台阶后应力水平降低114.3MPa，最大应力降为244.7MPa，同时得出结论圆角处为铸件受力较大的部位，在产品的铸造过程中应避免此部位的铸造缺陷。

2  铸件的凝固模拟分析

机座采用铸件与焊接件筒体焊接而成，其中受力较大部位由ZG40Cr铸件铸造而成，为确保铸件质量，对机座铸件的铸造工艺必须严格控制。在工艺设计时必须确保内部组织的致密，确保铸件内部无缩松、缩孔、裂纹等铸造缺陷。通过对机座铸件的结构分析，其基本参数见表2，ZG40Cr属于国内常用合金铸钢材质，考虑铸造工艺不合理易出现铸造缺陷，还将影响模具的制造，增加制造周期。在铸件制作前，我们必须对铸造工艺进行铸造模拟分析，以确保工艺的可行性。初步工艺设计完成后，通过铸造CAE模拟分析软件对工艺进行了分析，对可能出现铸造缺陷的部位进行预测，在制造前即可分析优化工艺。

2.1 三维建模

在模拟分析中为保证分析结果正确，必须有准确的三维模型，建模时根据铸件的结构特点及要求，铸件、冒口、浇口、冒口套等工艺相关模型需分别进行三维建模以保证可分别设置计算参数（见图3）。

2.2 网格划分

在铸造CAE模拟分析软件中划分网格也是保证分析结果正确的关键。由于铸件最小壁厚只有30，设置网格大小为10，既保证了模型网格的全接触，又保证了最薄部位至少有3个网格。这样既可充分保证模拟结果的真实性，又减少了模拟分析的数据量。

2.3 计算分析及结果

2.3.1 计算参数选择

由于铸造CAE软件是根据材料的参数如密度、导热系数、热容、潜热等进行的温度传导模拟，材料库内已对常用材料的参数赋值，计算分析时只需对各个模型选择相应的材质，再根据工艺参数及环境温度情况设定初始温度（计算参数选择见表3）。

2.3.2 凝固模拟分析结果

凝固模拟分析主要反映铸件上各部位的温度变化趋势和最后凝固部位及收缩量，进而判定各部位的凝固先后顺序，是铸件工艺模型中缩孔、缩松位置的关键判据，通过对此机座铸件的工艺模拟分析（见图4），我们判定铸件内不存在大的体积收缩。通过对剖面分析铸件内部在厚度为46mm厚中间薄壁法兰上缩松概率40-50%，可能会产生局部缩松，需加大冷铁的激冷效果;原铸件容易出现开裂的R50圆弧部位缩松概率低，铸造工艺满足生产要求。

3  机座铸件生产

3.1 制模、造型、熔炼、浇注

模具制造按照工艺建模时的尺寸放加工余量及缩尺进行制造，造型过程中，通过作业指导书和技术员现场指导相结合的方式指导生产，制作铸造工艺图，对浇口、冒口、冷铁的大小及位置，关键造型尺寸和控制要点进行明确。确保了不会由于造型的工艺正确，不产生模拟预测之外的缺陷。为保证铸件成分和机械性能符合要求，通过分析计算所有原材料的成分及熔炼收得率，合理配料，确保原材料的所有成分受控;钢水熔炼采用中频炉，熔炼过程中通过光谱分析仪化验熔透后、出炉前钢水成分，确保出炉钢水的成分合格。

3.2 打箱、清理

考虑铸件材料碳当量较高，室温切割冒口有較高的裂纹倾向，冒口需高温切割，通过分析铸件散热情况，预计48-54小时铸件温度可降至600℃以下，设定打箱时间48-54小时，考虑清理切割冒口时是逐个切割，且切割时间较长，采取逐个清理、切割，对没切割的冒口以及切割完成的冒口继续用型砂覆盖，确保冒口温度缓慢下降，利于热割冒口、减小裂纹倾向。

4  铸件检验验证

通过CAE分析和详细的过程策划后，首件机座铸件在开箱清理后，通过检测除铸件表面有少量气孔、渣孔、粘砂之外，无其它影响铸件使用性能的缺陷。同时为保证铸件检测的准确性，确保铸件在易开裂部位的质量，与探伤设备制造厂家合作，制作了超声波检测圆角部位的专用探头。通过圆角专用探头的检测圆角部位，直探头检测平面部位，现公司生产交付的机座铸件所有部位符合技术要求，无超标铸造缺陷。

通过此次的铸件生产制造，我们确认了前期的CAE分析结果对实际生产的工艺设计具有指导意义，通过铸造CAE模拟分析可真实反映铸造生产中可能遇到的问题，有效的预防铸造缺陷产生。在对机座铸件产品的质量改进中，通过进行针对性的结构受力分析和铸件模拟分析，优化受力结构，预测并避免铸造缺陷，可为产品质量提升提供具有指导意义的理论判据。

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