大型風電輪轂鑄造工藝設計

田 超，彭 倩

（陜西柴油機重工有限公司，陜西興平 713100）

目前，隨著社會生產力的高速發展及經濟效益的不斷追求，全球能源消耗過大，不可再生資源已趨近枯竭。在這種形勢下，發展風能、水能、太陽能等潔凈能源已成為時代潮流，尤其風力發電已達到了空前的普及，較好的緩解了能源危機，帶來了客觀的經濟效益。風力發電設備是將風的動能轉變為旋轉機械能，從而帶動發電機發電。風輪由3 個葉片和1 個輪轂組成，輪轂是風電設備關鍵的部件，連接葉片與主軸，其作用是承受風力在葉片上的推力、扭矩、彎矩及陀螺力矩，然后將風輪的力矩傳遞到機構中去。可見輪轂是風輪至發電設備的重要零件，其結構特殊、形狀復雜、體積大、加工難度大，加工質量風險特別高。輪轂一般為球墨鑄鐵件，材質QT400-18AL，在力學性能、金相組織、化學成分方面都有嚴格要求，必須經過超聲波、磁粉探傷，不允許存在縮松、裂紋、氣孔、夾渣類缺陷。本文針對3.0MW 輪轂，按照傳統鑄造工藝設計流程，結合產品圖紙及球墨鑄鐵件技術條件，先進行了工藝性分析，評估了實際生產過程原材料、設備、工裝、人員操作技能等環境要素，完善鑄造工藝設計方案，并試制成功，實現了滿足各項技術要求的鑄件批量化生產。

1 鑄件結構及技術要求

該輪轂為3MW 級輪轂，具體結構如圖1 所示。輪廓尺寸為3425mm×3158mm×3111mm；毛重為21.2t；主要壁厚95mm；最小壁厚47 mm；最大壁厚150 mm。材料為QT400-18AL，鑄件的機械性能、金相組織要求及相關驗收標準如下。

圖1 3.0MW 輪轂三維模型

機械性能：抗拉強度σb≥350MPa；屈服強度σs≥220MPa；斷后伸長率A≥12%；硬度：120～175 HBW；三個試樣-40℃平均沖擊功Akv≥10J，個別≥7J。

金相組織：石墨球化率Ⅴ+Ⅵ≥90%；石墨大小5～7 級；基體組織鐵素體≥90%；本體表層球化率等級≥3 級。

驗收標準：100%超聲波探傷，參照EN12680-1-2、3 級及EN12680-2-1 級執行；微觀組織參照GB 9441 執行；著色滲透及磁粉探傷參照EN1369 執行。

2 鑄件工藝性分析及風險點識別

3MW 輪轂輪廓尺寸及壁厚較大，主軸孔端面為厚大區域，且為鑄件最高點，鐵水在型腔上升過程冷卻時間最長，流動性逐漸降低，充型能力減弱，造成鐵水補縮效果變差，極易產生縮松缺陷；三面筋板方形凸臺較厚，且為鉆孔區域，對超聲、磁粉要求極高；導流孔端面及輪轂腰線部位凸臺為最大壁厚處，縮松風險較高。

該鑄件按0.8%縮尺進行鑄造工藝設計，得毛重21.71t；按80%～85%工藝出品率計算，所需液重26t。在澆注充型過程，鐵水與砂型、芯接觸面積較大，充型時間較長，大大增加了鑄件浮砂、夾砂、氧化夾渣、夾雜類風險，影響表面質量。鐵水噸位大，澆注過程需保證大出流、無紊流、平穩充型。

由于鐵水純凈度是影響鑄件質量的重要因素，因此，對原輔材料品質、爐前扒渣質量及澆注過濾系統的可靠性要求極高。該輪轂從原輔材料準備、造型過程、原鐵水質量及熔化澆注過程必須嚴守工藝紀律，提高成品率。

綜上所述，該輪轂生產過程存在如下風險：

（1）鑄件體積、噸位較大。對砂箱尺寸、強度要求較高，需配套專用隨形砂箱，便于操作，同時可以減少填砂量；對起吊天車核載要求較高，且需配套專人操作。

（2）鑄件表面厚大區域及加工凸臺處縮松、裂紋、冷隔風險較高。

（3）型、芯制作過程，必須嚴格監控型砂強度、水分等質量指標，提高鑄件表面質量。

（4）澆注系統設計要合理規范，尤其鐵水過濾系統可靠性要高，降低夾雜類缺陷。

3 工藝方案設計

（1）該輪轂采用兩箱造型，主軸孔端面豎直朝上，分型面平行于主軸孔端面，且位于輪轂中心與三變漿法蘭面圓心所在平面的之間。在輪轂主軸孔/導流孔端面、筋板方形凸臺及內側圓臺、變漿法蘭端面、球殼腰線部位凸臺布置平面冷鐵。具體見圖2 所示。

圖2 鑄件冷鐵布置

（2）澆注系統全部采用陶瓷管澆道，采用底注式。直澆道選用?100mm 厚壁瓷管（1 道），并在分型面處設置“S”形緩沖彎頭；設計專用砂芯橫澆道，采用“丁”字型組合過濾器（10 組，通過率10ppi）；內澆道?60mm 瓷管（20 道），內澆口為專用異形陶瓷管。A 直：A 橫：A 內=0.13：0.3：1；在主軸孔端面布置6 個頂冒口，并在蓋箱頂面對應位置反扣6 個保溫冒口，從而增強鐵水補縮效果，具體見圖3 所示。

圖3 鑄件澆注系統設計

（3）采用中頻感應加熱爐，低硫優質廢鋼，優質生鐵，艾肯球化/孕育劑，回爐料按30%比例加入。

4 工藝方案實施結果

圖4 鑄件3D 掃描圖像

根據上述工藝方案連續投產了1#至5#共計5 件輪轂，機械性能、化學、金相組織均符合球磨鑄鐵件技術要求，清理拋丸后進行VT、UT、MT 檢測，結果良好。對鑄件進行了全尺寸3D 掃描，形狀、尺寸比較精確，質量穩定，如圖4 所示。

5 結語

按照以上3MW 輪轂鑄造工藝設計方案，并嚴格執行過程質量控制，順利完成了試生產，質量穩定可靠，固化該工藝后可進行批量化生產。