CN104439096B - 自升式海洋平台升降齿轮箱用行星架铸造成型模及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种能够解决自升式海洋平台升降齿轮箱用行星架采用分体锻造后焊接而成所带来的工作平稳性差、使用寿命短、工作效率低的自升式海洋平台升降齿轮箱用行星架铸造成型模，上法兰区域四个柱销所在位置有四块锲形补贴且与上法兰一起构成活动块，活动块镶嵌在芯头圆台中间上部，四个柱销、主补缩通道补贴及与上法兰及下法兰连接区域且罩在中心芯头上，芯头与上下法兰及中心芯头为一体组合构成。优点：由于为整体铸造结构，克服了由锻造成型后焊接而成带来的工作过程中易产生破坏性，增加了工作时的平稳性，延长了产品的使用寿命，同时也降低了生产成本，提高了工作效率，提高了产品的可靠性，具有广阔的市场前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种能够解决自升式海洋平台升降齿轮箱用行星架采用分体锻造后焊接而成所带来的工作平稳性差、使用寿命短、工作效率低的自升式海洋平台升降齿轮箱用行星架铸造成型模及成型方法，属铸钢件成型模制造领域。
背景技术
国外在设计上采用将上下两端法兰及柱销三部分分别锻造成毛坯件，通过机加工后进行焊接，最后精加工成型。具体的制造工序为：废钢原材料 ＿铸锭＿锻造成型＿零件毛坯＿粗加工＿焊接＿精加工＿最终产品。其不足之处：该的制造工序过程复杂，加工周期长，生产成本较高，材料的利用率较低，同时在柱销与上下法兰连接区域受结构制约，很不利于焊接，并且在该区域在使用过程极易产生破坏。
发明内容
设计目的：避免背景技术中的不足之处，设计一种采用整体铸造成型的大速比、超大扭矩自升式海洋平台升降齿轮箱用行星架铸钢件铸造成型模，解决采用分体锻造成型再焊接带来的工序繁杂，生产成本高，同时柱销与上下法兰连接区域使用过程极易产生破坏的自升式海洋平台升降齿轮箱用行星架铸造成型模及成型方法。
设计方案：为了实现上述设计目的。自升式海洋平台升降齿轮箱包含多级行星齿轮结构，具有大速比、超大扭矩及齿轮超大模数的特点，而大速比、超大扭矩自升式海洋平台升降齿轮箱用行星架铸钢件作为行星传动齿轮的传动载体，产品的综合性能要求较高，为了满足行星传动齿轮的工作载荷及工作环境要求，在产品的机械性能设计要求上必须满足以下要求：
Rp0.2≥480MPa，Rm:700～850 MPa,A5%≥16%,Ψ%≥30%，AKv≥35J（三个实验值的平均值，期中单个值不得小于平均值的80%）(-20℃)其中：Rp0.2为材料的屈服强度，Rm为材料的抗拉强度，A5为延伸率，AKv为冲击吸收功，试验温度为-20℃。
1.1技术难点分析：从铸件柱销与上下法兰连接区域存在裂纹缺陷及力学性能试验延伸率和-20℃的冲击吸收功值偏低的结果来看，按常规的铸造工艺无法满足产品的设计要求。如何防止铸造过程柱销与上下法兰连接区域裂纹的产生和提高铸件力学性能延伸率和-20℃的冲击吸收功值为本技术的关键。
从柱销与上下法兰连接区域存在裂纹缺陷的显示特征来看，该裂纹缺陷为铸造应力过度集中，加上材料组分构成增大了热裂倾向。
1.2缺陷原因分析：从柱销与上下端法兰连接区域裂纹产生的原因分析：通过对铸件收缩凝固的应力分析模拟结果色带分布看出，铸件的柱销与上下法兰连接区域等效应力相对其它区域明显大很多，等效集中应力超出了金属本身的强度值。该区域应力集中的主要原因是由于工艺设计为实现“顺序凝固”的要求，在柱销上增加了工艺补贴，并在柱销与上端法兰连接区域设置了冒口，工艺补贴和冒口的设置增加了造成了该区域收缩应力，并且应力的迭加矢量总和超出了金属材料本身的强度极限值，导致了该区域裂纹的产生。
1.3本申请在结构设计上对柱销与上下法兰连接区域采用了圆角平滑过渡设计，提高了该区域的抗破坏能力和产品工作时的平稳性。
1.4通过改变铸件的整体凝固次序，改变铸件的补缩通道链来减小柱销与上下法兰连接区域的收缩凝固应力矢量总和，使该区域的收缩凝固应力矢量总和低于材料本身的强度。从而达到即保证铸件凝固的补缩通道的顺畅，保证铸件的致密，同时消除了柱销与上下法兰连接区域应力过度集中带来的裂纹缺陷。
1.5在结构设计上，上法兰区域中部设置一个冒口，并在上下法兰区域轴孔的机加工区域之间设置了一个补缩通道，该补缩通道为铸件的主补缩通道。该补缩通道在机加工时完全去除，避免了该补缩通道与上下法兰连接区域缺陷残留在铸件本体的可能。同时在上法兰区域四个柱销所在位置设置四块补贴作为副补缩通道。补缩通道链由原业的四条变为八条。每个柱销所在位置分别连接有一条主补缩通道和一条副补缩通道。主补缩通道为下法兰区域收缩凝固所需的补缩通道，副补缩通道为四个柱销区域收缩凝固所需的补缩通道。同时本方案从减小柱销与下法兰连接区域的收缩应力出发，在每个柱销与下法兰连接区域的圆角处和底部都增设了激冷外冷铁，加剧该区域的冷却，使该区域成为最先凝固区域。
2.1铸造工艺方案调整：从原工艺方案铸件的凝固特点来看（图6），整个铸件按四个柱销所在位置可分为四条补缩通道链，单条铸件的补缩通道链顺序为冒口区域----铸件上法兰区域----铸件柱销区域----铸件下法兰区域。。
原工艺方案中，铸件的下法兰区域为完全被补缩区域，而柱销区域既是上法兰区域的被补缩区，同时又是下法兰区域的补缩区，取消了工艺补贴势必会造成补缩通道链不通畅，下法兰区域因晚于柱销区域凝固得不到补缩而造成该区域缩松、缩孔现象。
本发明在取消四个柱销位置的工艺补贴后，必须设置另外的补缩通道来保证铸件整体凝固能满足“顺序凝固”的要求，尤其是下法兰区域的补缩。从减小柱销与上下法兰连接区域的线收缩来改变该区域的收缩应力，将原工艺的冒口设置进行调整，同时改变补缩通道链的设置。图1至3为调整后的本申请的铸造工艺方案图：与原铸造工艺方案相比，新工艺取消了四个柱销区域上方的工艺冒口，改为在上法兰区域上方设置一个工艺冒口，并在上下法兰区域轴孔的机加工区域之间设置了一个补缩通道，该补缩通道为铸件的主补缩通道。该补缩通道在机加工时完全去除，避免了该补缩通道与上下法兰连接区域缺陷残留在铸件本体的可能。同时在上法兰区域四个柱销所在位置设置四块工艺补贴作为副补缩通道。补缩通道链由原工艺的四条变为八条。每个柱销所在位置分别有一条主补缩通道和一条副补缩通道组成。主补缩通道为下法兰区域收缩凝固所需的补缩通道，副补缩通道为四个柱销区域收缩凝固所需的补缩通道。同时新的工艺方案从减小柱销与下法兰连接区域的收缩应力出发，在每个柱销与下法兰连接区域的圆角处和底部都增设了外冷铁，加剧该区域的冷却，使该区域成为最先凝固区域。
本发明的工艺方案铸件的凝固特点来看，整个铸件按四个柱销所在位置可分一主一副两条补缩通道链，补缩通道链顺序见图7。
技术方案1：一种大速比、超大扭矩自升式海洋平台升降齿轮箱用行星架铸钢件成型模，上法兰区域四个柱销所在位置有四块锲形补贴且与上法兰一起构成活动块，活动块镶嵌在芯头圆台中间上部，四个柱销、主补缩通道补贴及与上法兰及下法兰连接区域且罩在中心芯头上，芯头与上下法兰及中心芯头为一体组合构成。
技术方案2：一种大速比、超大扭矩自升式海洋平台升降齿轮箱用行星架铸钢件成型方法，上法兰区域中部设置一个工艺冒口，并在上下法兰区域轴孔的机加工区域之间设置了一个补缩通道，该补缩通道为铸件的主补缩通道，该补缩通道在机加工时完全去除，避免了该补缩通道与上下法兰连接区域缺陷残留在铸件本体的可能，同时在上法兰区域四个柱销所在位置设置四块工艺补贴作为副补缩通道，补缩通道链由原工艺的四条变为八条，每个柱销所在位置分别连接有一条主补缩通道和一条副补缩通道组成，主补缩通道为下法兰区域收缩凝固所需的补缩通道，副补缩通道为四个柱销区域收缩凝固所需的补缩通道，同时从减小柱销与下法兰连接区域的收缩应力出发，在每个柱销与下法兰连接区域的圆角处和底部都增设了激冷外冷铁，加剧该区域的冷却，使该区域成为最先凝固区域。
本发明与背景技术相比，一是通过对本申衣的铸造工艺方案的华铸CAE模拟（见图4）及凝固过程应力分析（见图5），本申请的铸造工艺方案改变了整个铸件凝固次序，通过在柱销与下法兰连接区域设置外冷铁，以及在轴孔机加工区域设置主补缩通道，使柱销与下法兰连接区域成为了最先凝固区域，从华铸CAE模拟分析图（见图4）可以看出：除了浇注系统及冒口区域本存在缩孔、疏松缺陷外，铸件本体部分及补贴区域均未有缺陷显示，在实现铸件整体致密同时，大大减小了柱销与下法兰连接区域的收缩应力，同时通过取消柱销与上法兰连接区域的冒口设置及柱销区域的补贴，使得柱销与上法兰连接区域的收缩凝固应力矢量总和低于该区域铸件的强度，避免了该区域裂纹的产生；二是由于为整体铸造结构，克服了由锻造成型后焊接而成带来的工作过程中易产生破坏性，增加了工作时的平稳性，延长了产品的使用寿命，同时也降低了生产成本，提高了工作效率， 提高了产品的可靠性，具有广阔的市场前景。
附图说明
图1是行星架整体铸造成型模主剖视图。
图2是行星架整体铸造成型模A向视图。
图3是行星架整体铸造成型模B向视图。
图4是行星架整体铸件新铸造工艺华铸CAE模拟分析图。
图5是行星架整体铸件新铸造工艺应力分析图。
图6是原行星架整体铸造成型模主剖视图。
图7是补缩通道链顺序。
具体实施方式
实施例1：参照附图1-3。一种大速比、超大扭矩自升式海洋平台升降齿轮箱用行星架铸钢件成型模，上法兰11区域四个柱销所在位置有四块锲形补贴5且与上法兰11一起构成活动块，活动块镶嵌在芯头9圆台中间上部，四个柱销12、主补缩通道补贴10及与上法兰11及下法兰13连接区域且罩在中心芯头8上，芯头9与上下法兰及中心芯头8为一体组合构成。中心芯头8为上小下大锥形圆柱体。上法兰11上方为保温冒口4。芯头9侧部有内浇道3，内浇道3与直浇道2连通，浇口杯1位于直浇道2上端。芯头9内外置有外冷铁6。
需要理解到的是：上述实施例虽然对本发明的设计思路作了比较详细的文字描述，但是这些文字描述，只是对本发明设计思路的简单文字描述，而不是对本发明设计思路的限制，任何不超出本发明设计思路的组合、增加或修改，均落入本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种大速比、超大扭矩自升式海洋平台升降齿轮箱用行星架铸钢件成型模，其特征是：上法兰（11）区域四个柱销所在位置有四块锲形补贴（5），四块锲形补贴（5）与上法兰（11）一起构成活动块，活动块镶嵌在芯头（9）圆台中间上部，四个柱销（12）与上法兰（11）及下法兰（13）连接且与主补缩通道补贴（10）一同罩在中心芯头（8）上，芯头（9）与上法兰、下法兰及中心芯头（8）组合成一体，上法兰（11）上方为保温冒口（4）。
2.根据权利要求1所述的大速比、超大扭矩自升式海洋平台升降齿轮箱用行星架铸钢件成型模，其特征是：中心芯头（8）为上小下大锥形圆柱体。
3.根据权利要求1所述的大速比、超大扭矩自升式海洋平台升降齿轮箱用行星架铸钢件成型模，其特征是：芯头（9）侧部有内浇道（3），内浇道（3）与直浇道（2）连通，浇口杯（1）位于直浇道（2）上端。
4.根据权利要求1所述的大速比、超大扭矩自升式海洋平台升降齿轮箱用行星架铸钢件成型模，其特征是：芯头（9）内外均置有外冷铁（6）。
5.一种大速比、超大扭矩自升式海洋平台升降齿轮箱用行星架铸钢件成型方法，其特征是：上法兰区域上方设置一个保温冒口，并在上下法兰区域轴孔的机加工区域之间设置了一个补缩通道，该补缩通道为铸件的主补缩通道，该补缩通道在机加工时完全去除，避免了该补缩通道与上下法兰连接区域缺陷残留在铸件本体的可能，同时在上法兰区域四个柱销所在位置设置四块楔形补贴作为副补缩通道，补缩通道链由原工艺的四条变为八条，每个柱销所在位置处分别连接有一条主补缩通道和一条副补缩通道，主补缩通道为下法兰区域收缩凝固所需的补缩通道，副补缩通道为四个柱销区域收缩凝固所需的补缩通道，同时从减小柱销与下法兰连接区域的收缩应力出发，在每个柱销与下法兰连接区域的圆角处和底部都增设了外冷铁，加剧柱销与下法兰连接区域的冷却，使柱销与下法兰连接区域成为最先凝固区域。
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