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摘要：本文在对1.5MW风电轮毂铸件的结构和要求进行分析的系础上，应用铸造模拟软件Magmasoft进行了凝固模拟分析，根据铸件的热节和绘松预测结果设计冷铁位置和冒口位置以及浇注系统，并进行流动模拟，优化工艺方案。经生产验证，铸件内部无缩松，与模拟结果一致，完全满足客户要求。
随着新型能源工业的快速发展，国内风电铸件的需求持续增加。风电铸件的质最要求很高，不仅要求低温性能，而且对铸造缺陷和外观质量都有严格规定。采用超声波探伤和磁粉探伤，不允许存在超过标准规定的缩孔、缩松、气孔、夹杂物以及表面微裂纹等铸造缺陷，铸件不允许进行焊补，铸造缺陷超标，铸件只能报废；铸件的尺寸公差为CT11或CT12级，重量公差为MT12级。因而风电铸件的铸造工艺开发及工装设计成为研制合格风电铸件的关键技术之一，很多企业在进行风电铸件的开发研制时，由于铸造工艺设计不合理而导致研发费用大，废品率高。
计算机模拟凝固技术为铸造工艺的合理设计提供了理论基础和实施依据，商用化的模拟凝固软件提供了对铸件温度场、凝固和缺陷预测的动态模拟，依据凝固模拟结果，优化铸造工艺。
常州精棱铸锻有限公司从2007年开始研制1.5MW风电轮毅铸件，在工艺设计时，采用Magma模拟软件对该铸件进行了不同工艺条件下的凝固和流动动态分析并预测缺陷，优化铸造工艺，成功生产了轮毂类铸件，经超声波探伤检查，铸件致密，力学性能和金相组织都符合要求，现已批量生产。
1 铸件分析和工艺设计思路
1.5MW风电轮级如图1所示，铸件重约9t，最大壁厚为115mm，高度为2230mm，材料为GGG35.5，要求附铸试块-40℃低温冲击试验，附铸试块放置在铸件上壁最厚的部位。采用中频感应炉熔炼，材料全部采用优质低硫废钢和优质增碳剂，保证了铸件性能满足GGG35.5要求。此外，设计了全套工装，使得工装的刚性满足无冒口浇注的工艺要求。采用呋喃树脂砂手工造型。轮毅的轴孔朝上，从轮毅叶片孔的中心位置分型，两箱造型。
在确定以上工艺原则后，进行铸造工艺设计，工艺设计包括：冷铁的大小和分布、出气冒口的设计以及浇注系统的设计。
（图片） 2 冷铁和冒口的模拟计算
在浇注温度为1350℃时，在瞬间充型的情况下，对铸件进行凝固模拟，铸件的热节大小和分布如图2所示，在铸件三个叶片安装孔处形成三条连续的热节，热节凝固时间为14187s。由于热节部位容易形成缩孔和组织粗大，因此，可通过放置冷铁来消除热节。（图片） 根据图2，先在铸件用1中A部位所示的三个侧加工端面放置一圈冷铁(HT200)，冷铁的厚度为100mm，模拟后，铸件的热节大小和分布如图3所示，与图2对比，在三个大端面安放冷铁后，铸件热节由三个整体热节变成了六个三角形热节，热节处凝固时间由原来的15116s减少到14386s。为进一步减少热节，继续在如图1中B所示的外侧面六个凸台放置冷铁，冷铁的厚度为100mm，铸件热节变化如图4所示。（图片） 与图3对比，在三个大端面安放冷铁后，铸件的热节变得分散，热节的总面积进一步缩小。铸件的下部，热节凝固时间由原来的14386s减少到12716s。在热节处仍可预测到缩松，如图5所示。
（图片） 根据以上分析结果，在图4所示的凸台上方，即图1中C部位放置随形冷铁，进行凝固模拟计算，分析其热节变化和缩松预测，铸件的热节进一步分散，如图6所示，只有铸件顶面有缩松缺陷，图7所示，因此，在铸件的顶部即图1中D部位采用冷铁和压边冒口，模拟显示无缩松。此外，改变冷铁的厚度，反复进行凝固计算和分析，优化冷铁和冒口设计。
（图片） 3 充型分析
3.1 浇注系统的设计计算
根据铸件的重量，确定浇注时间，根据经验公式，确定浇注时间为60s，内浇道总面积为104cm2，采用12道内浇道，由耐火砖管排出。为了挡渣，浇注系统设计成半开放半封闭的系统，直浇道、横浇道和内浇道的比例为1.1：1.5：1，由内浇道面积分别计算出横浇道和直浇道的面积。采用底注的方式。
3.2 流动模拟
根据设计好的浇注系统，进行铸件浇注过程的流动分析。图8a，b分别为浇注时间为2s，15s的速度场。
根据图8a，在铸件充型开始，金属液在浇注系统和铸件内最大的流动速度在内浇道，进入铸件的金属液流动速度为57cm/s左右，内浇道与铸件接触处金属液流动速度波动很小，横浇道远端的金属液流动速度为28cm/s以下，可充分挡渣，而内浇道的材料为陶瓷管，无外来渣。从图8b可见，当浇注时间为15s时，铸件的充型更平稳，金属液的流动速度为30cm/s左右。根据以上模拟结果，更改了浇注系统设计，在保证金属液收得率的条件下，把浇注时间减少到50s，进行快速浇注。
（图片） 4 结果分析
根据凝固和流动模拟分析，设计了1.5MW风电轮载铸造工艺，如图9所示。
按图9工艺进行了工艺和工装设计，由于大量使用冷铁，使得铸件各部位基本同时凝固，只有上端面采用三个压边冒口兼排气口，金属液的理论收得率为95%。经清理抛丸后，目测表面无缺陷，受载区域UT检测未发现超过客户规定的夹杂和缩松缺陷，在此基础上，按上述工艺生产了3件，无损检测合格，尺寸准确，轮廓清晰、完全满足客户的要求。
（图片） 5 结束语
采用铸造模拟软件Magmasoft成功设计了1.5MW风电轮毂铸件的铸造工艺，一次浇注成功。不仅减轻了工艺人员的设计工作量，提高了工作效率，而且降低了产品的研发成本，缩短了研发周期。
3/29/2012
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