大型四分之一齿轮铸造工艺设计.pdf

Feb．2017VoI-66 NO．2 垂篙帅煮 ·195·P1-、^‘，、^·_＼^^，—，；经验交流{■、，_‘，'r■^，’n■、，■_●v'’一大型四分之一齿轮铸造工艺设计孙爱新，李晓明，王话，邓立新，王怡心(沈阳铸锻工业有限公司铸造分公司，辽宁沈阳110142)摘要：针对砂型铸造工艺生产的大型四分之一齿轮铸件在生产过程中经常出现的缩孑L、缩松、张口变形等铸造缺陷，特别是把合口处的铸造缺陷，采用模数法对大型四分之一齿轮冒口补缩工艺进行设计，并通过增加外冷铁，改进浇注系统，增加把合口处冒口下补贴等措施对铸造工艺进行优化。并利用procast铸造模拟软件对铸造工艺进行验证：工艺改进后，产品的1：艺出品率明显提高．缩松、缩孑L、张口变形等铸造缺陷基本消除，生产出了合格的四分之一齿轮铸件：关键词：齿轮；模数法；砂型铸造；冒口；模拟中图分类号：TG242．3 文献标识码：B 文章编号：100l一4977(2017)02—0195—03Casting Technique Design of Quarter Part of a Large GearSUN Ai—xin，LI Xiao—ming，WANG Hua，DENG Li—xin，WANG Yi—xin(Casting Steel Company，Shenyang Casting and Forging Industry Co．，Ltd．，Shenyang 1 10142，Liaoning，China)Abslract： The casting def’ects ofquaner part oflarge gear such as shrinkage，dispersed shrinkage and distortionetc were analvzed， especiallv the ioint position o九he casting．The feeding system was designed by modulusmetho文and optimized measures were adopted as follow：chill，improved gating system，a110wance riser at j ointDosition ofthe casting．And the casting process was veri6ed by ProCAST casting simulation soRware．ARer theDrocess improvement，the production rate of casting was inlproved obviously，the dispersed shrinkage andshrinkage and distonion were eliminated，and the high．quality casting was obtained．Key wordS： gear； modulus； sand casting； riser； simulation齿轮是大型磨机上的重要铸件，广泛应用于矿山、冶金、水泥、建筑、煤炭、电力等行业，其轮缘铣齿深度达轮缘厚度的一半，生产过程中易受环境及人为因素影响，每一个细节控制不当都会导致铸件产生严重缺陷甚至报废[1]。因此采取有效措施防止齿轮出现缩松、缩孔、裂纹等铸造缺陷，是提高产品质量，加快生产进度的关键所在。本文中四分之一齿轮铸件共有三种，为加工后把合的大型齿轮铸件，单件最小直径1 0 241．24 mm，最大直径13 305．74 mm，最小净重16 430垤，最大净重30 400 kg。针对四分之一齿轮铸件在生产过程中经常m现缩松、缩孔、裂纹等铸造缺陷，采用模数法对大型四分之一齿轮冒口补缩工艺进行计算，并通过增加外冷铁，改进浇注系统，增加把合口处冒口下补贴等措施对铸造工艺进行设计。利用Procast铸造模拟软件对铸造工艺进行验证。工艺实施后，产品的工艺出品率明显提高，影响产品质量的缩松、缩孔、裂纹等铸造缺陷基本没有，生产出了合格的大型四分之一齿轮铸件。缘直径为10 241 mm，齿缘宽990 mm，内轮缘直径为9 820 mm，内辐板厚度120 mm，净重23．15 t，毛重32 t，材质为zG34cr2Ni2Mo，成分及性能要求如表l和2所示1 铸件工艺分析 1’2煮妻慧求为HB 300-34。，探伤检查依1．1 铸件结构 据GB／T7233．1～2009，从齿顶到齿根以下2倍模数环形大型四分之一齿轮铸件结构简图如图1所示，外轮 范围内以及内圈法兰连接范围执行2级，其余加工部位收稿日期：2016—07-21收到初稿，2016—09—23收到修订稿。作者简介：孙爱新(1971一)，男，工程师，主要从事铸造工艺方面的T作淼眦阻叫万方数据Feb．2017·196· FOUNDRY VoI．66 No．2表2 ZG34Cr2Ni2Mo的力学性能Table 2 Mechanical properties of ZG34Cr2Ni2Mo3级。要求轮缘壁厚均匀，未探伤部位不得有砂眼和裂纹等影响机械加工的缺陷：大型四分之一齿轮的生产难点主要有以下三个：一是尺寸较大，如果采用常规刮板与组芯相结合的造型方法，难以保证砂芯强度，极易使铸件表面粘砂，最终影响产品质量；二是把合口处厚度大，容易因为补缩不好产生缩松和缩孑L等缺陷，仅用冒口补缩效果不好，冒口设置不当容易在特殊热节位置产生裂纹、缩松等缺陷，影响齿轮力学性能。三是冒口设置过大，会造成钢液浪费，增加生产成本。1．3预设工艺方案针对四分之一齿轮的生产难点，确定先期生产工艺方案：采用地坑造型，造型方法为组芯，保证所有砂芯的紧实度，中间层芯面砂全部使用铬铁矿砂，厚度20～30 mm，避免表面粘砂；型芯分上、中、下三层，上层芯加芯头，下芯更精准，减小下芯间隙，避免飞边毛刺，保证产品表面质量。把合口处设置冒口并利用补贴增加补缩通道，提高补缩效果。采用模数法科学计算冒口大小。为提高冒口补缩效果，降低钢液消耗，增加外冷铁。冒口中间用长条冷铁隔断，划分独立补缩区，内幅板与外轮圆各放置一层冒口，中间用冷铁隔断，保证每个独立补缩区得到充分补缩。其他如浇道根部等特殊热节处用圆形冷铁调节补缩。此外要求木型制作精度达到1级。制芯要保证强度和表面质量，不允许对芯子做大面积修补，制芯、起芯、下芯要认真操作。钢液必须经过真空熔炼。清砂工部需在温度大于250℃条件下热割冒口，并做好铸件冒口茬保温，防止产生裂纹。2铸件工艺设计2．1 冒口补缩系统设计计算采用模数法设计冒口。参照以往的生产经验对齿轮进行“独立补缩区”的初步划分[2】。每一个独立补缩区对应唯一一个冒口进行补缩，分别对铸件的把合口位置、外轮缘和内轮缘进行独立区域的剖分：确定该铸件的各个独立区域后，使用solid works3D软件的测量功能测量出各部分的体积和散热面积，再以它的体积除以它的散热面积计算出铸件的模数。当冒口模数为铸件模数的1．2倍时，即可实现补缩结束时冒口的残留模数大于或等于铸件的模数，补缩时间得以保证。对于未能补缩到的局部热节即外轮缘下侧使用外冷铁增加铸件的补缩效果，间距30～50 Hun，圆周均布，两冒口中间用长条冷铁阻断，形成人工端面区，保证补缩效果。2．2浇注系统设计浇包底注孑L直径为85 mm，包孑L选择2个。根据经验确定浇注系统比例关系：∑咆孔：∑晡：∑F横：∑F内=1：(1．8．2)：(1．8。2)：2【”。确定内浇道①100 mm，冒口下对应放置；横浇道函140 mm，一道；直浇道西140mm，两道。横浇道做成二级缓冲浇道，保证钢液平稳进入铸型，防止产生紊流。选用内浇道从正对冒口的铸件底部充型的单层底返式，充分利用内浇道正对冒口充型处所形成的“流动热节”促进铸件水平方向的顺序凝固。单件最大浇注重量为72 t，浇注钢液要求经过真空熔炼，控制H<2×10‘6，O<30×10。6，钢渣中Fe0含量<1％，使用优质废钢，添加相应合金料。浇注温度为1550℃，根据浇注温度计算出钢温度。2．3铸件防缺陷处理经Procast多次模拟发现，在四分之一齿轮把合口位置均存在缩松缺陷，经过反复实验和论证，决定在把合口位置增加补贴，模拟后缩松基本消失。此外，在实际生产齿轮铸件的过程中，发现齿轮在凝固过程中有向外张开变形现象，为减轻或消除这类铸件的“张口”变形，在四分之一齿轮的轮缘贴近把合口处150位置开始增加反变形量，增加量为0～15 mm；在把合口处内侧各增加10 mm工艺补正量。最后确定大型四分之一齿轮铸造工艺方案如图2所示。H 2 人’I圳L1分之 ft』41cf々。遗I：艺㈦f。1坚2 T11c lcc…caI dc、唧ofqLlallcl paI-I castlng of largc gcaI+2．4铸造工艺方案的数值模拟对既定的铸造工艺方案，采用s01idworks三维造型软件进行实体建模，然后在同一坐标系下将其转化成igs文件导人procast铸造模拟软件中，利用计算处理模块对工艺方案进行凝固、充型和传热的耦合计算。在后置万方数据铸造 孙爱新等：大型四分之一齿轮铸造工艺设计 ·197·处理模块观察铸件充型及凝固过程的模拟结果，预测可能出现的缺陷大小和位置。铸件充型过程如图3，铸件二r艺经过模拟后缩孔和缩松位置如图4和图5所示．斟3齿轮充型过程Fig．3 The gear nlling process罔4 四分之一齿轮模拟缩孔和缩松整体位置Fig 4 The simLIlation shrinkage．dispersed shrinkage position ofthe gear{gj 5 {”Ij，之‘t奸轮{巴iiI]f-，。|l‘if记{以j*j L州I彳『『忆÷居)．H埔·J川lFig．5 The locai jectloll ol s11JlJlkagc．dbpersed北llJlkage un Lhe JolnLposi“on ofthe gear由图3可以看出，整个充型过程非常平稳，钢液通过两道水口作用均匀进入型腔，在充型模拟过程中，未出现卷气和紊流现象。由图4可见，除了浇道中有少量缩松，铸件本身并没有影响产品质量的铸造缺陷，冒口离分型面仍然有100～200 mm的保险高度，证明冒口设计合理?图5为把合口位置的剖面图，由图可以看出，齿轮把合口位置没有出现缩松，组织致密：说明把合口处冒口补贴和冷铁起到了很好的补缩效果。把合口位置补贴设计解决了一直以来齿轮生产中极易出现的缺陷问题。2．5浇冒系统的清理及热处理过程中的变形处理浇注后按工艺规定的时间保温后打箱。热割冒口，温度200～300℃：冒口去除后，将铸件及时入窑进行退火处理，消除应力。铸后热处理采用等温退火，炉冷时在650℃保持6～8 h，避免发生贝氏体相变，确保铸件硬度，便于加工。为防止齿轮水平方向的变形，要求在铸件热处理人窑时，必须摆放牢靠，用耐火砖将铸件垫平，预防工件在水平方向上的变形。3生产验证图6为大型四分之一齿轮铸件毛坯图。铸件加工量完全符合工艺要求，铸件表面及圆角易粘砂位置基本无粘砂，铸件没有砂眼和裂纹等铸造缺陷。经超声波探伤，产品质量满足探伤二级标准，产品质量合格。㈦6川j，之·f打轮铸什毛lf、Fig．6 The semifinished product of l／4 gear casting4结束语利用ProcAsT铸造模拟软件辅助铸造工艺设计后，铸件的工艺出品率提高5％左右，缩松、缩孔、张口变形等铸造缺陷基本消失。大型四分之一齿轮成功生产，不仅标志着我们在铸钢件铸造方面生产能力的提升和产品质量的提高，同时也对规范生产过程起到了指导作用。参考文献：[1]段伟勋，赵永让，靳松．出口半齿圈铸钢件的生产技术[J]．铸造技术，2004(11)：872—873．[2]李晓明，孙爱新，金丽敏，等．大型半齿轮铸件的铸造工艺设计[J]铸造，2012(10)：1197—1199[3] 千济洲，周尧和．借助周界商求解铸钢冒口尺寸的新方法[J]．铸造．1995(12)：16一19．(编辑：刘冬梅，ldm@found聊vorld．com)万方数据