采煤機行星架鑄件質量優化

□ 李 超

常熟天地煤機裝備有限公司 江蘇蘇州 215505

1 優化背景

行星架的結構緊湊,體積小,傳動比大,承載能力強,工作穩定。目前,行星架在采煤機的截割部、牽引部等傳動系統中已經得到了廣泛應用。由于井下環境的惡劣性,采煤機作業時間長,導致行星架在使用中經常發生變形、裂紋、斷裂等故障。行星架一旦發生結構斷裂,將直接導致采煤工作停頓,甚至造成一定的安全威脅。行星架斷裂與采煤機截割部、牽引部等部位的結構設計或裝配不合理有一定關聯,但產品本體的制造質量不過關才是最大癥結。產品熱處理不當,帶有缺陷的不合格鑄件交付,是行星架質量不佳的根源。因此,對現有行星架鑄件的質量進行分析并提出改進意見,是十分有必要的。筆者對采煤機行星架鑄件質量進行優化。

2 工藝性分析

通過大量生產過程中出現的問題收集,以及客戶使用信息反饋,筆者對行星架易發生裂紋斷裂的部位進行取樣研究分析,如圖1所示。特別關注行星架鑄件的調質硬度和金相組織,裂紋處放大500倍的金相組織如圖2所示,非裂紋處放大500倍的金相組織如圖3所示。要生產質量合格的行星架鑄件,需要從三個方面加以控制:① 產品工藝性結構設計局部優化;② 制訂合理的鑄造工藝流程;③ 關鍵工序控制,主要在于缺陷補焊及熱處理過程控制。

▲圖3 非裂紋處500倍金相組織

3 結構設計局部優化

筆者對行星架斷裂鑄件進行失效模式分析,認為行星架內腔拐角部位斷裂與設計不合理有一定關聯。按照原設計結構,行星架的鑄造圓角在機加工工序中被加工去除,但行星架最終成品要求該轉角處要圓弧過渡,為了保證裝配尺寸精度,又采用機加工的方式重新獲得半徑為5～10 mm的圓角。行星架內腔采取機加工成型的圓角,極易成為應力集中源,在實際使用過程中成為斷裂原因。鑄造圓角加工去除如圖4所示。基于以上分析,在行星架的設計時,將該處圓角改為內凹式。在加工工序編排過程中,將該部位的鑄造圓角保留,將過渡處修磨圓滑。內凹式鑄造圓角如圖5所示。此舉降低了機加工產生應力的風險,減小了加工量,降低了加工難度,縮短了生產周期。

▲圖4 鑄造圓角加工去除▲圖5 內凹式鑄造圓角

4 制訂合理鑄造工藝流程

行星架材料選用ZG42CrMo,這一材料鑄造性能較差,凝固收縮率大,易產生縮孔等缺陷。大型鑄鋼件的澆鑄溫度高,鋼液的流動性較差,不利于鑄件充型,所以需要對模具、砂箱進行預熱,使鋼水易氧化,同時需要加快澆注速度。筆者對加工工藝流程進行兩方面改變。

4.1 增加退火去應力工序

ZG42rMo材料的碳含量較高,為0.38%～0.45%,熱敏感性較強,具有較強的冷裂紋和熱解理裂紋傾向,焊接性較差。出于以上考慮,在毛坯未割冒口前增加去應力退火工序,保證鑄造內應力的消除。從實際生產情況看來,這一舉措十分有效,消除了由鑄造內應力引起的裂紋。

4.2 增加粗加工工序

行星架鑄件對硬度有指標要求,熱處理方式為調質。ZG42rMo材料的淬透性雖然整體很好,但是毛坯狀態淬透層深度均勻性受限。在調質處理前增加粗加工工序,這樣一方面可以確保行星架鑄件的硬度均勻性,另一方面能夠有效排除毛坯表面粘砂和雜物對熱處理效果的影響,由此進一步提高行星架鑄件的綜合機械性能。

5 關鍵工序控制

通過前期行星架鑄件試制過程中的摸索,進行了關鍵工序識別,將鑄件補焊、熱處理確定為關鍵工序。補焊工藝過程控制可以有效降低后續生產過程中次生缺陷的發生概率,熱處理控制可以使鑄件獲得更加穩定的綜合性能。

5.1 補焊工序控制

焊前準備時,采用機械鉆孔冷作的方式鉆止裂孔,將裂紋兩端的末梢去除,以防止裂紋延展。用機床或由鉗工用角磨機打磨去除所有裂紋、砂眼、氣孔等。無損探傷后,確定無鑄造缺陷。焊絲選用TWE-711,直徑為1.2 mm,化學成分見表1。

表1 焊絲化學成分

補焊前,采用氧乙炔焰進行局部預熱,預熱溫度為250～300 ℃,裂紋面積大或有多處裂紋,可采用整體預熱。使用氣體保護焊機,保護氣體選用80%氬氣+20%二氧化碳混合氣體。施焊過程中,盡可能保持平焊位置。要嚴格控制焊接熱輸入,選取較低焊接電流、電弧電壓,控制合適的保護氣流。焊接工藝參數見表2。焊后先局部烘烤20 min,然后覆蓋石棉布保溫緩冷,在300 ℃保溫1.5～2 h。鉗工打磨補焊部位平整。

表2 焊接工藝參數

5.2 熱處理工序控制

調質處理前,行星架鑄件外部加工面通過磁粉探傷,內腔非加工面采用超聲探傷,嚴格控制鑄件上的裂紋缺陷。淬火完成后,檢測行星架的本體硬度,根據所測數據調整回火工藝。回火采用水冷的方式,避免鑄件回火脆性的發生。

6 結束語

筆者分析采煤機行星架鑄件加工過程中的質量控制規律,對行星架鑄件進行工藝性結構設計局部優化,制訂合理的鑄造工藝流程,控制補焊和熱處理,進而提高結構性能,降低故障率。對行星架鑄件進行質量優化,為行星架產品量身打造工藝設計,從內部質量與機械性能表現兩方面對行星架產品的正常使用起到雙重保障,也為采煤機其它零部件的結構性能改進提供了參考。