大型球铁件风电调速器行星架造型工艺方案优化

大型球铁件风电调速器行星架造型工艺方案优化

大型彩墨铸造磁头的砂浆压力是长期以来铸造工作者的研究主题之一。本文讨论了近几年来国内外铸造生产量较大的大型球铁件风电调速器行星架的造型工艺优化(亦即其模具方案的优化)。为方便讨论,本文以图1所示的一种近十多年来生产量较大、铸造难度较大的2000MW级风电行星架作为典型代表件。该行星架的结构特点为:铸件最大轮廓尺寸为:准1444mm×1402mm、主要壁厚δ=55~160mm、材质为QT700-2、铸件质量G件=4500kg。目前国内外已有较多工厂生产该类风电行星架,但据笔者了解、掌握的情况看,尚有较多的铸造厂在生产该类球铁件时易出现了造型工艺不尽合理的情况。笔者研究了该类行星架的多种造型工艺方案,归纳起来可以将其分为“大砂芯造型工艺方案”和“实样模造型工艺方案”两种类型。在此,对这两类造型工艺方案的优缺点作一对照分析,旨在为该类铸件造型工艺的优化设计积累一些资料,供同行参考。1外模铸型工艺图2所示风电行星架(与图1的尺寸稍有差异,但结构相同)大砂芯造型工艺方案在某厂的铸造生产方式是:采用树脂自硬砂造型、制芯(1#、3#大砂芯)、铬铁矿砂制作2#小砂芯;1箱1件;大量设置冷铁;采用阶梯进液的浇注生产方式。大砂芯造型工艺方案主要特点如下:(1)两箱造型-外模结构简单大砂芯造型工艺方案,实际上就是普通铸铁件通常采用的传统的砂型铸造工艺方案,其外模分为上、下模样,铸型只有上、下型。因此,其外模结构简单、造型工序也较为简化,这也是大砂芯造型工艺方案的最大优点。(2)大砂芯-制芯工艺复杂大砂芯造型工艺方案,虽然具有两箱造型,外模结构简单的优点,但其采用了3#“大砂芯”结构,使得制芯工艺复杂;不仅如此、3#“大砂芯”还使得芯盒结构复杂、整套铸造模具(工装)用料多、模具的制作成本较高。(3)下芯难度大-砂芯定位精度低大砂芯造型工艺方案,其严重的不足点是下型深度偏高,使得1#砂芯下芯难度大、砂芯定位精度低;其3#“大砂芯”的定位准确性也难以达到较理想的精度。(4)砂铁比高大砂芯造型工艺方案与实样模造型工艺方案相比,因采用了3#“大砂芯”结构方案,使得其砂箱尺寸相应要增大20%左右(仅在长、宽尺寸),由此其铸件的砂铁比也相应增大了20%。(5)生产效率低-铸件尺寸稳定性低大砂芯造型工艺方案,由于其1#、2#、3#砂芯的下芯难度都较大、定位准确性低,尤其是3#砂芯制芯工艺复杂,致使行星架总体的造型效率低,铸件尺寸稳定性差。2实际模型优化方案图3所示风电行星架实样模造型工艺方案在某厂的铸造生产方式是:采用水玻璃砂造型、制芯(1#、3#、4#砂芯)、铬铁矿砂制作2#砂芯;1箱1件;大量设置冷铁;采用阶梯进液的浇注生产方式。根据笔者多年的工厂实践经验和对图2、3所示方案比较分析认为:图3所示方案比之于图2所示方案,虽然采用的是三箱造型,外模结构稍微复杂,外型“造型”也稍复杂,但其可以较好地克服图2所示工艺方案存在的诸多不足。图3所示方案在树脂自硬砂和水玻璃砂的铸造生产条件下比图2所示方案是更为优化的方案。要使图1所示的行星架类大型球墨铸铁件顺利实现图3所示实样模造型工艺的优化方案,必须要合理、正确地设计模具方案:其一,要有对适宜的产品结构的正确解析,亦即要有较为丰富的生产实践经验,能对其合理地、正确地分模;其二,模块之间的定位要正确、可靠;其三,砂芯结构要正确、合理地设计;其四,芯盒的结构及其制作要正确合理;其五,重要工艺参数的确定亦要合理正确。2.1实样模造型工艺方案图1所示的行星架类大型球铁件要顺利实现实样模造型工艺的优化方案,应按图3所示的三箱造型工艺方案的上/中分型面、中/下分型(模)面、及中箱内的一个分模面,将模样设计、制作成上/中下三段“实样模”结构(只是名义上的“实样模”,实际上要除去1#~4#砂芯的实心结构):下(箱)模样为铸件的下法兰带长轴颈结构;中(箱)模样为三个腿脚结构;上(箱)模样为铸件的上法兰带短轴颈结构。图3所示行星架类大型球铁件实样模造型工艺方案的造型主要流程是:下模样上置放冷铁、造下箱—下箱翻转—置放中(箱)模样、中(箱)模样(3个腿脚)各三侧置放冷铁、造中箱、砂型造至3个腿脚的上平面—置放上模样(置放冷铁)、造上箱(为简化文字:省去了铸件浇注系统及冒口系统的相应阐述)。需要说明的一点是:图3所示行星架类实样模造型工艺方案的中(箱)模样(3个腿脚)诸多铸造圆角,须要造型操作者手工打磨做出。2.2下箱模具的定位要顺利实施图3所示方案,其模具的关键结构之一是:各模块之间的定位结构要合理、准确和可靠。各模块之间的定位主要体现在以下两个方面:其一是中(箱)模样的3个腿脚模块与下(箱)模样的定位,每个腿脚模块与下模样之间的定位可用两个方键结构定位,如图4(a)所示的A区结构,也可用直径较大(准20~40mm)的两个以上的圆柱销结构定位,如图4(a)所示的B区结构;另一方面是中(箱)模样的3个腿脚模块与上(箱)模样的定位,其每个腿脚模块与上模样之间的定位可用一个直径较大(准20~30mm)的圆柱销结构定位,即上模样(上法兰带其短轴颈结构)上3个腿脚“中心”的共3个圆柱销与中(箱)模样—3个腿脚的各一个圆柱销套形成成套的定位结构和关系、如图4(b)所示B区结构。2.3结构方案优化要优化实施图3所示方案3个腿脚的模块方案,还可在图4(a)所示腿脚实样模模块结构方案的基础上将其腿脚模块设计制作成图4(b)所示腿脚实样模模块的结构方案。图4(b)所示腿脚实样模模块的结构与图4(a)所示的结构方案主要的不同点是:图4(b)的腿脚为“两段式”结构模块;而图4(a)的腿脚为“整体式”结构模块。因此,图4(b)结构比图4(a)结构的相应模块在其同样拔模斜度的条件下既简化了起模难度、又减小了铸件的质量。要优化实现图4(b)所示行星架3个腿脚的模块方案,关键是其腿脚的“两段”模块之间亦要设计(制作)出结构合理和可靠的定位机构。其腿脚的“两段”模块之间亦可用两个直径较大(准30~35mm)的圆柱销结构定位,如图4(b)所示的C区结构;同时还可加大图4(b)B区结构的定位销(套)的直径(至准45~50mm),以利用其销套孔作为其下半段模的起模空间。2.4砂芯方案80mm要优化实施图3所示方案,其重要的配套工艺措施还有如图3中所示的砂芯结构的优化设计。图3方案与图2方案比较,砂芯结构的优化设计要点是1#~4#砂芯的“短芯头”结构:1#与2#砂芯的芯头长度为40~50mm(而图2方案的相应砂芯芯头长度为100~200mm),并取消了2#砂芯的上部芯头结构;3#与4#砂芯的芯头长度仅为5~8mm。在树脂自硬砂或水玻璃砂造型和制芯的生产条件下,图3所示的40~50mm长度之短芯头的1#与2#砂芯,其既能很好地满足相应砂芯可靠地与相应芯头座配合,又能更简化和更顺利地将其砂芯下入型腔;而取消了2#砂芯的上部芯头结构,生产实践证明:2#砂芯完全可以准确地定位和保证其铸件相应结构的尺寸稳定性,从而进一步地简化了其下芯、合箱的操作难度。此外,还需值得注意的一点是:2#砂芯的图3所示芯头结构在水平方向仍须要设计(制作)成加大的芯头结构,以保证该砂芯能可靠和准确地下入型腔。2.5砂芯的制作流程要优化实施图3所示方案,其重要的配套工艺措施还有如图3中所示的3#、4#砂芯的芯盒结构的合理的设计(制作)。其要点是:将3#与4#砂芯芯盒(设计)制作成“补砂芯盒”结构。所谓“补砂芯盒”:则是将该砂芯的制作与下芯工序合二为一。其具体过程是:将其芯盒(能)直接置放于相应的芯头座处,在其相应的芯头座处直接制作该类砂芯。这对于在树脂自硬砂或水玻璃砂造型和制芯的生产条件下是完全可行和十分方便的。2.6模型分型数值要顺利实施图3所示方案,其技术要点还有分型负数、芯头间隙等重要工艺参数的合理确定。对于在粘土砂造型生产条件下,其铸件模型(样)的分型负数、芯头间隙等重要工艺参数的介绍或研究的资料较为多见,而对于在树脂自硬砂或水玻璃砂造型生产大型球铁件的条件下,其铸件模型(样)的分型负数、芯头间隙等重要工艺参数的相应介绍或研究的资料并不多见。生产实践表明:外型是湿型粘土砂、而砂芯为树脂自硬砂(或水玻璃砂)的相应芯头座的配合、与外型和砂芯都同是树脂自硬砂或水玻璃砂的砂芯芯头与其相应芯头座的配合有着本质的不同:前者通常是采用较小尺寸的芯头配合间隙;对于同档之名义(或轮廓)尺寸的铸件,后者采用前者1.5~2.0倍的芯头配合间隙尺寸则较为适宜。同理,其在树脂自硬砂或水玻璃砂造型生产的条件下,其模型(样)的分型负数也要采用湿型粘土砂造型状态下的同档之名义(或轮廓)尺寸的1.5~2.0倍的分型负数尺寸。在图3所示方案中,其合理的、(下转第55页)(上接第52页)成功的分型负数是:下箱与中箱的分型负数和中箱与上箱的分型负数均为2.5mm(在实践中也可以简化为中箱模样、3个