CN110860659A - 一种风力发电机组铸造主轴及其浇铸工艺及铸造模具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机组铸造主轴的浇铸工艺，包括：熔炼；将熔融后的原材料注入铸造模具进行浇注，且铸造成型过程采用全冷铁覆盖工艺；熔融的原材料冷却凝固后脱模。本发明还公开了一种风力发电机组铸造主轴的铸造模具，包括第一模具和第二模具，第一模具和第二模具合模后具有与主轴形状相同的型腔，与型腔连通的设置有浇注口，且第一模具和第二模具合模后的型腔表面四周均覆盖有冷铁。应用该风力发电机组铸造主轴的浇铸工艺及模具，采用铸造工艺来成型主轴，降低成本。且采用全冷铁覆盖工艺，使得大壁厚铸件产品机械性能亦能满足标准内的参数指标。本发明还公开了一种风力发电机组铸造主轴，也具有相应的技术效果。

Description

一种风力发电机组铸造主轴及其浇铸工艺及铸造模具

技术领域

本发明涉及风电技术领域，更具体地说，涉及一种风力发电机组主轴的铸造工艺及铸造模具，还涉及一种风力发电机组铸造主轴。

背景技术

风力发电机组包括风轮、发电机；风轮中含叶片、轮毂等，具有叶片受风力旋转发电、发电机机头转动等功能。现有的风力发电机组主轴通常为锻造主轴，主轴毛坯通过锻造成型，材料主要为优质合金钢，零部件重量大，采购费用高。

随着大兆瓦级别机组逐渐走向市场，主轴毛坯成型方式由锻造优化至铸造是必然的趋势。然而，大壁厚铸件产品浇筑时，由于铁水内外温差较大，散热不均，容易产生铸造缺陷，如裂纹、气泡、夹渣等缺陷，会导致铸件产品机械性能不能满足预期要求。故常规铸造工艺难以满足该类大壁厚风力发电机组主轴的质量要求。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供一种风力发电机组铸造主轴及其浇铸工艺和模具，该浇铸工艺和模具可以有效地规避大壁厚铸造产品采用常规浇铸工艺产生的铸造缺陷，使得大壁厚铸件产品机械性能亦能满足标准内的参数指标。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种风力发电机组铸造主轴的浇铸工艺，包括：

熔炼；

将熔融后的原材料注入模具进行冷却成型，且铸造成型过程采用全冷铁覆盖；

熔融的原材料冷却凝固后脱模。

优选地，上述风力发电机组铸造主轴的浇铸工艺中，所述铸造成型过程采用全冷铁覆盖，增加铁水在冷却过程中的激冷效果，从而提高铸件产品的机械性能。

本发明提供的风力发电机组铸造主轴的浇铸工艺，包括：熔炼；将熔融后的原材料注入铸造模具进行浇注，且铸造成型过程采用全冷铁覆盖；熔融的原材料冷却凝固后脱模。

应用本发明提供的风力发电机组铸造主轴的浇铸工艺，采用铸造工艺来成型主轴毛坯，从而替换现有的锻造工艺。铸造工艺成本较低，但大壁厚铸件产品浇铸时，由于铁水内外温差较大，散热不均，容易产生铸造缺陷。因此，本申请通过采用全冷铁覆盖工艺，使铁水在冷却过程中具有良好的散热性，避免大壁厚铸件产品浇铸过程中产生影响性能的缺陷，保证产品质量。

本发明还提供如下技术方案：

一种风力发电机组铸造主轴的铸造模具，包括第一模具和第二模具，所述第一模具和所述第二模具具有合模后与主轴形状相同的型腔，与所述型腔连通的设置有浇注口，且所述第一模具和所述第二模具合模后的型腔表面均全覆盖有冷铁。

优选地，上述风力发电机组铸造主轴的铸造模具中，所述第一模具和所述第二模具合模后的型腔表面四周均设置有多块所述冷铁，多块所述冷铁依所述第一模具和所述第二模具的表面形状分布以将所述第一模具和所述第二模具外表面覆盖。

本发明提供的风力发电机组铸造主轴铸造模具包括第一模具和第二模具，第一模具和第二模具合模后具有与主轴形状相同的型腔，与型腔连通的设置有浇注口，且第一模具和第二模具合模后的型腔表面均全覆盖有冷铁。

应用本发明提供的风力发电机组铸造主轴的铸造模具，采用第一模具和第二模具配合，二者合模后形成与主轴形状相同的型腔，并通过浇注口进行浇注。也就是采用铸造工艺来成型主轴毛坯，替换现有锻造工艺。铸造工艺成本较低，但大壁厚铸件产品浇筑时，由于铁水内外温差较大，散热不均，容易产生铸造缺陷。因此，本申请通过采用在第一模具和第二模具外表面四周覆盖冷铁，即采用全冷铁覆盖工艺，使铁水在冷却过程中具有良好的散热性，避免大壁厚铸件产品浇铸过程中产生影响性能的铸造缺陷，保证产品质量。

为了满足风力发电机组的性能需求，本发明还提供了一种风力发电机组铸造主轴，该风力发电机组铸造主轴采用上述任一种浇铸工艺铸造成型。由于上述的浇铸工艺具有上述技术效果，采用该浇铸工艺铸造而成的风力发电机组铸造主轴也应具有相应的技术效果。

优选地，上述风力发电机组铸造主轴中，包括主轴主体，所述主轴主体具有与轮毂连接的轮毂连接面、与轴承配合的轴承配合面、与锁紧盘配合的锁紧盘配合面、与齿轮箱连接的齿轮箱连接面和轴肩。

优选地，上述风力发电机组铸造主轴中，所述轴肩上与所述轴承配合面连接处具有降应力槽。

优选地，上述风力发电机组铸造主轴中，所述降应力槽为弧形槽。优选地，上述风力发电机组铸造主轴中，所述主轴主体的材料为QT400-18AL球墨铸铁。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个具体实施例的风力发电机组铸造主轴的浇铸工艺的流程示意图；

图2为单铸试块的结构示意图；

图3为本发明一个具体实施例的风力发电机组铸造主轴的局部剖面结构示意图；

图4为图3的局部放大示意图；

图5为风力发电机组铸造主轴浇铸工艺对应的单铸试块的抗拉强度试验结果；

图6为单铸试块的屈服强度试验结果；

图7为单铸试块的延伸率试验结果；

图8为单铸试块的低温冲击值试验结果。

附图中标记如下：

冷铁01，轮毂连接面1，轴承配合面2，锁紧盘配合面3，齿轮箱连接面4，轴肩5，降应力槽6。

具体实施方式

本发明实施例公开了一种风力发电机组铸造主轴的铸造模具及浇铸工艺，以采用浇铸工艺来成型主轴，替换常规锻造工艺，降低成本。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种风力发电机组铸造主轴的浇铸工艺，请参阅图1，图1为本发明一个具体实施例的风力发电机组铸造主轴的浇铸工艺的流程示意图。

在一个具体实施例中，本发明提供的风力发电机组铸造主轴的浇铸工艺，包括以下步骤：

S1：熔炼；

将原材料进行熔炼，得到熔融状态的原材料。

S2：将熔融后的原材料注入铸造模具进行浇注，且铸造成型过程采用全冷铁覆盖；

根据主轴的形状相应设置铸造模具，将熔融金属经模具的浇注口注入铸造模具的型腔内。铸造成型过程采用全冷铁覆盖，使铁水在冷却过程中具有良好的散热性。

S3：熔融的原材料冷却凝固后脱模。

应用本发明提供的风力发电机组铸造主轴的浇铸工艺，采用浇铸工艺来成型主轴，替换常规锻造工艺。浇铸工艺成本较低，但大壁厚铸件产品浇筑时，由于铁水内外温差较大，散热不均，容易产生铸造缺陷。因此，本申请通过采用全冷铁覆盖工艺，使铁水在冷却过程中具有良好的散热性，避免大壁厚铸件产品浇铸过程中产生影响性能的缺陷，保证产品质量。

进一步地，上述铸造成型过程采用全冷铁覆盖，具体包括：铸造模具外表面四周均覆盖有冷铁。通过在铸造模具外表面四周覆盖冷铁，实现全冷铁覆盖。通过采用该种浇铸工艺，避免了传统的大壁厚零件常见的铸造缺陷，从而使得铸造主轴的机械性能能够满足风力发电机组的性能需求。从而把主轴的成型工艺从锻造优化至铸造，实现降本增效的目的。

请参阅图2，图2为单铸试块的铸造模具的结构示意图。为了推算验证铸造主轴的本体性能，采用单铸试块进行试样，图2所示为本申请提供的风力发电机组铸造主轴的铸造模具对应的单铸试块的模型示意图。

本发明提供的风力发电机组铸造主轴的铸造模具包括第一模具和第二模具。

其中，第一模具和第二模具具有合模后与主轴形状相同的型腔，与型腔连通的设置有浇注口。具体第一模具和第二模具的形状和浇注口的设置位置及浇道的设置等均可根据需要设置，也可以参照现有技术中常规的铸造模具设置。本申请是将浇铸工艺应用在风里发电机组主轴的成型中，因而相应改变型腔的结构，与主轴形状对应即可。

由于主轴的壁厚较厚，大壁厚铸件产品浇筑时，由于铁水内外温差较大，散热不均，容易产生铸造缺陷。因而，在第一模具和第二模具外表面四周均覆盖冷铁01。冷铁01即为加快铸件局部冷却速度设置的激冷物。冷铁01设置在第一模具和第二模具外表面，不与铸件熔合，可重复使用。其形状具体可以根据铸件需激冷部位的形状来设计或选用。通过在第一模具和第二模具外表面四周均覆盖冷铁01，使得型腔内的铁水四周均可收到冷铁01的作用，以更好的散热，减少表面裂纹、表观质量差、部件部分区域力学性能参数不达标、内部小气泡或局部沉渣影响强度等铸造缺陷。

应用本发明提供的风力发电机组铸造主轴的铸造模具，采用第一模具和第二模具配合，二者合模后形成与轴承形状相同的型腔，并通过浇注口进行浇注。也就是采用浇铸工艺来成型主轴，替换常规锻造工艺。浇铸工艺成本较低，但大壁厚铸件产品浇筑时，由于铁水内外温差较大，散热不均，容易产生铸造缺陷。因此，本申请通过采用在第一模具和第二模具外表面四周覆盖冷铁01，即采用全冷铁01覆盖工艺，使铁水在冷却过程中具有良好的散热性，避免大壁厚铸件产品浇铸过程中产生影响性能的缺陷，保证产品质量。

进一步地，第一模具和第二模具外表面四周分别设置有多块冷铁01，多块冷铁01依第一模具和第二模具外表面的形状分布以将第一模具和第二模具外表面覆盖。如图2所示，多块冷铁01相配合，以将第一模具和第二模具外表面四周均覆盖。多块冷铁01配合，便于冷铁01的加工及重复利用。通过冷铁01的排列形成与第一模具和第二模具外表面形状相同的分布，以形成全冷铁01覆盖。具体的，多块冷铁01可以均为矩形冷铁01，各冷铁01的体积大小可以相同也可以不同，优选的，包括体积大小不同的冷铁01，则便于通过不同体积配合形成多种排列，以适应各种形状的第一模具和第二模具。

具体的，型腔包括第一型面、第二型面、第三型面、第四型面和第五型面，第一型面用于成型主轴与轮毂连接的轮毂连接面，第二型面用于成型主轴与轴承配合的轴承配合面，第三型面用于成型主轴与锁紧盘配合的锁紧盘配合面，第四型面用于成型主轴与齿轮箱连接的齿轮箱连接面，第五型面用于成型主轴的轴肩。由于主轴具有与轮毂的连接面、与轴承的配合面、与锁紧盘的配合面、与齿轮箱的连接面和轴肩，因而对应主轴各面分别设置对应的型面，以成型对应结构。具体各型面的形状，如平面状或台阶面状等，可根据主轴各面的形状相应设置，此处不做具体限定。在主轴为其他结构的情况下，也可以相应设置型腔内各型面的形状。

进一步地，型腔还包括由第五型面上与第二型面连接处凸出用于成型降应力槽的第六型面。也就是通过凸出的第六型面，能够成型出凹槽，由于第六型面位于第二型面与第五型面连接处，则相应成型出的凹槽位于轴肩的与轴承配合面连接处，通过凹槽的设置，改善了主轴轴肩过度槽处的应力集中，合理的传递各个方向的力，提高了主轴承载能力。

在上述各实施例的基础上，型腔用于成型两个主轴。采用浇铸工艺，能够通过单套模具一次成型出两个主轴，则从成本来看，两个主轴即可摊销新开模具费用，进一步结合了生产成本。

综上，本申请通过设置上述风力发电机组铸造主轴的铸造模具，能够对主轴这样的大壁厚结构件进行铸造，通过浇铸工艺成型，在铸造成型过程中采用全冷铁覆盖的工艺方式，使铁水在冷却过程中具有良好的散热性，避免大壁厚铸件产品浇铸过程中产生影响性能的缺陷，保证产品质量。

基于上述实施例中提供的浇铸工艺，本发明还提供了一种风力发电机组铸造主轴，该风力发电机组铸造主轴采用上述实施例中任意一种浇铸工艺铸造而成。由于该风力发电机组铸造主轴采用了上述实施例中的浇铸工艺铸造而成，所以该风力发电机组铸造主轴的有益效果请参考上述实施例。

具体的，请参阅图3-图4，图3为本发明一个具体实施例的风力发电机组铸造主轴的局部剖面结构示意图，图4为图3的局部放大示意图。该风力发电机组铸造主轴包括主轴主体，主轴主体具有用于与轮毂连接的轮毂连接面1、用于与轴承配合的轴承配合面2、用于与锁紧盘配合的锁紧盘配合面3、用于与齿轮箱连接的齿轮箱连接面4以及轴肩5。各面的基体结构可参考现有技术中常规的风力发电机组铸造主轴的结构，此处不再赘述。

轴承受轴向正向推力时，力的传递方向通过主轴的轴肩5、前轴套、轴承、轴承座到机舱。由于主轴轴肩5处应力易集中，故进一步将轴肩5上与轴承配合面2连接处开设降应力槽6，改善了主轴轴肩5过度槽处的应力集中，合理的传递各个方向的力，提高了主轴承载能力。具体降应力槽6可以为弧形槽，且弧形槽的曲率半径由中间向分别与轴肩和轴承配合面连接的两边逐渐增大。常规轴系零件轴肩区域会产生明显的应力集中，超过材料许用的屈服强度(≤220Mpa)。为了让主轴满足机组的性能要求，通过设置如前所述的降应力槽5，降低了该处的极限应力水平。最终校核结果为该处的最大极限应力为159Mpa。

在上述各实施中，主轴主体的材料为QT400-18AL球墨铸铁。QT400-18AL球墨铸铁是抗拉强度400MPa，硬度在130-180HBS，伸长率大于18％，-20°冲击韧度大于12J/cm²，并含有铝成分的高韧性球磨铸铁。采用QT400-18AL球墨铸铁，成本约为1.3万元/吨，相较于锻造用材料42CrMo钢而言，显著降低了成本。

为检测全冷铁覆盖浇铸工艺的铸件产品力学性能，对采用上述风力发电机组铸造主轴的浇铸工艺经铸造而成的单铸试块进行了性能测试，试验样品材料采用QT400-18AL球墨铸铁，抗拉强度为360Mpa，屈服强度220Mpa。具体的，对铸件产品表层皮下20mm、表层皮下50mm以及核心区域的拉伸强度、屈服强度、延伸率以及低温冲击性能进行了取样试验，试验结果如图5-8所示，图5为风力发电机组铸造主轴浇铸工艺对应的单铸试块的抗拉强度试验结果；图6为风单铸试块的屈服强度试验结果；图7为单铸试块的延伸率试验结果；图8为单铸试块的低温冲击值试验结果。可见，试块内所有测点试样的性能参数均达标且体现出非常优越的力学性能。

综上，本申请通过全冷铁覆盖的浇铸成型，规避了常规的铸件越厚性能越差的风险，使得大壁厚的铸件产品也可具备良好的力学性能；优化了大壁厚铸造件的局部构型，使其满足重量控制的同时亦满足强度要求

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种风力发电机组铸造主轴的浇铸工艺，其特征在于，包括：

熔炼；

将熔融后的原材料注入铸造模具进行浇注，且铸造成型过程采用全冷铁覆盖工艺；

熔融的原材料冷却凝固后脱模。

2.根据权利要求1所述的风力发电机组铸造主轴的浇铸工艺，其特征在于，所述铸造成型过程采用全冷铁覆盖工艺，具体包括：

所述铸造模具合模后的型腔表面均覆盖有冷铁。

3.一种风力发电机组铸造主轴的铸造模具，其特征在于，包括第一模具和第二模具，所述第一模具和所述第二模具合模后具有与主轴形状相同的型腔，与所述型腔连通的设置有浇注口，且所述第一模具和所述第二模具合模后的型腔表面四周均覆盖有冷铁。

4.根据权利要求3所述的风力发电机组铸造主轴的铸造模具，其特征在于，所述第一模具和所述第二模具外表面四周分别设置有多块所述冷铁，多块所述冷铁依所述将所述第一模具和第二模具合模后的型腔表面全覆盖。

5.一种风力发电机组铸造主轴，其特征在于，采用如权利要求1-2任一项所述的浇铸工艺铸造而成。

6.根据权利要求5所述的风力发电机组铸造主轴，其特征在于，包括主轴主体，所述主轴主体具有与轮毂连接的轮毂连接面、与轴承配合的轴承配合面、与锁紧盘配合的锁紧盘配合面、与齿轮箱连接的齿轮箱连接面和轴肩。

7.根据权利要求6所述的风力发电机组铸造主轴，其特征在于，所述轴肩上与所述轴承配合面连接处具有降应力槽。

8.根据权利要求7所述的风力发电机组铸造主轴，其特征在于，所述降应力槽为弧形槽，且所述弧形槽经过多轮的迭代优化设计，使得主轴的机械性能满足风力发电机组需求。

9.根据权利要求5-8任一项所述的风力发电机组铸造主轴，其特征在于，所述主轴主体的材料为QT400-18AL球墨铸铁。

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