任海濤 高明利 胡勝超 李 峰河南省礦山起重機有限公司 長垣 453400
摘要：研究分析起重機車輪生產質量狀況，總結吸收車輪鑄造、鍛壓傳統生產成型技術，研究開發出能夠明顯提高起重機車輪組織緻密度、尺寸精度達到 IT12 級，節能型成型技術，廣泛用於起重機生產過程並取得顯著經濟效益。
關鍵詞：起重機高精密車輪；近淨成型技術；應用
中圖分類號：TH21 文獻標識碼：A 文章編號：1001-0785（2020）10-0047-03
0 引言起重機是進行物料起重、搬運、裝卸的通用裝備，廣泛用於機械製造、冶金、化工、核能、航空、鐵路港口碼頭等各個領域。車輪在起重機上的使用數量特別巨大，一套起重機少則8 套多則幾十套；起重機車輪是重要承載件和關鍵的執行部件、它的質量決定著起重機是否能夠安全可靠的工作，影響起重機工作效率、影響著起重機使用年限、壽命。因此, 對起重機生產及使用效能影響較大。關於車輪毛坯生產傳統的生產工藝有鍛壓工藝和鑄造工藝，傳統的鍛壓工藝生產存在原材料消耗大、材料利用率低、後續加工量大、生產效率底、製造環境惡劣等問題；傳統的鑄造工藝除存在上述缺陷外，還存在產品零部件內部缺陷多、組織不致密強度低等問題。採用傳統的鑄造或鍛造技術生產的起重機車輪在使用者現場存在有車輪緣、輪槽疲勞壽命低、易磨損、易開裂等質量問題。車輪質量故障是起重機使用過程的常見故障，對機械製造、冶金、化工、核能、航空、鐵路港口碼頭等各個領造成了重大影響。由此，起重機高緻密性車輪近淨成型技術有效的解決了以上問題。
1 起重機高緻密性車輪近淨成型技術起重機高緻密性車輪近淨成型技術是將鑄造、鍛壓和碾壓軋製工藝融為一體，是金屬原材料加熱到熔點以上溫度, 控制和改善內部成分，調整成份, 達到車輪成份要求, 澆鑄成金屬毛坯，冷卻到固態再進行鍛打墩粗、衝孔, 而後利用旋轉裝置工裝與工件產生摩擦，帶動工件相對旋轉運動，在工件旋轉過程裝置不斷施加擠壓外力，反覆摩擦、旋轉、擠壓成型，形成工件的軸孔、輪槽。碾壓成型的主要技術創新點如下：1） 將碾壓成型技術應用於起重車輪成型製造，形成起重機車輪的近淨成型工藝技術：2） 研製了起重機車輪近淨成型的碾壓機：主要涉及滾壓機、碾壓機滾輪等工藝裝備結構設計和製造；3） 研發了高緻密性車輪的研製工藝方法，開發出目前車輪製造的新工藝方法，製坯、滾壓、精加工、檢驗、裝機應用。
起重機高緻密性車輪近淨成型技術主要科技創新和關鍵技術工序成型是利用專用工藝裝置碾壓出車輪輪槽、外圓、內控、以及側面等幾何形狀的技術；車輪成型後在非機械加工狀態尺寸精度達到IT12 ～ IT13, 平均預留後續機械精加工餘量2 ～ 3 mm；
起重機高緻密性車輪近淨成型技術是金屬原材料加熱到熔點以上溫度控制和改善內部成分，調整成份、達到車輪成份要求澆鑄成金屬毛坯，冷卻到固態鍛打墩粗、衝孔、而後利用旋轉模具與工件產生摩擦，帶動工件相對旋轉運動，在工件旋轉過程裝置不斷施加擠壓外力，反覆摩擦旋轉擠壓成型獲得高緻密組織工件、產生的組織是：珠光體+ 網狀鐵素體。該工藝是一種新型環保生產製造工藝，主要工序步驟如下：1）原材料成分檢驗，對選取的原料採用觀察的方式進行表面檢測和採用超聲波的方式對內部缺陷進行檢測，並選取初合格的原材料。2）原材料金相分析，將步驟1）中選取的初合格的原材料採用定量金相學原理進行金相分析，並選取最終合格的原材料。3）自動下料，將步驟2）中選取出的最終合格的原材料用下料機床定量切割下料。4）自動上料，利用上料機將步驟3）中得到的切段後的原材料送入加熱裝置。5）毛坯料加熱，利用加熱裝置對切斷後的原材料進行加熱處理，其中加熱溫度控制在1 050 ℃～ 1 200℃的範圍內，加熱時間為10 ～ 15 min。6）毛坯料自動工位轉換，將步驟5）加熱後的原材料送入鍛壓機床。7）第一次鍛壓，利用鍛壓機床對加熱後的原材料進行鍛壓，其中鍛壓壓力為15 MPa，鍛壓次數為1 次。8）第二次鍛壓，將步驟7）得到的鍛壓後的原材料利用鍛壓機床進行第二次鍛壓，其中鍛壓壓力為20MPa，鍛壓次數為1 次。9）衝壓中心孔，將步驟8）得到的原材料利用衝孔機床進行衝壓中心孔，其中衝壓中心孔的壓力為3 ～ 4MPa，中心孔的直徑為75 mm。10）擴中心孔，將步驟9）得到的衝壓中心孔後的原材料在擴孔機床上進行擴中心孔，其中擴中心孔的壓力為15 MPa，擴中心孔後的直徑為147 mm。11）碾槽成型，將步驟10）得到的擴中心孔後的原材料在成型機上進行碾槽，得到成型車輪；其中碾槽壓力為15 MPa，碾槽深度為25 mm，碾槽寬度為65mm。12）工件控溫冷卻，將步驟11）得到的成型車輪在空冷環境中進行冷卻至常溫，其中冷卻時間為至少12 h；待轉到下道工序。
3 起重機高緻密性車輪近淨成型技術成型原理圖1 為車輪近淨成型工藝裝置工作原理，將鑄成的初次金屬毛坯冷卻到固態，經過鍛打墩粗、衝孔、經過專用碾壓裝置進行碾壓制車輪槽、擴孔加工出車輪。將衝壓孔後的工件放到支撐軸上，然後啟動固定架上端的液壓裝置，液壓裝置推動滑動塊向下運動，使滑動塊上連線的限位盤將車輪工件卡在之間，啟動轉動電機使得車輪工件在摩擦力的作用下與限位盤一起轉動，同時液壓裝置不斷的施加向下的力，車輪工件在下部車輪外緣碾壓裝置和車輪槽碾壓裝置的共同作用下，擠壓出槽。外緣碾壓輪包括中心槽輪和兩側設定的外緣輪，由於外緣輪的作用可有效地避免輪槽碾壓成型時邊緣拱起的現象。此外在底部設定的支撐裝置，可有效地避免由於液壓裝置作用，支撐軸發生變形和斷裂的情況。支撐軸設有軸套，軸套與限位盤位置對應，可使車輪工件在其間轉動，保證了內部孔的圓度和圓柱度。如圖2 所示，新技術生產的車輪距圓弧面5 ～ 25mm 硬度變化比較平緩；從外到內傳統的鑄造件和鍛造件硬度值變化快。
4 起重機高緻密性車輪近淨成型技術特點1）從車輪的產品效能看，經過鍛壓、碾壓等複合成型的車輪金屬組織更細密、晶格進一步細化，並徹底消除了金屬組織內部的氣孔、夾雜等缺陷，其質量應符合JB/T5000.15—2007 中III 級的規定。使得車輪的承載能力和抗疲勞強度進一步提高，明顯地提高了車輪的使用壽命。
圖 1 工作原理圖
圖 2 新技術與傳統的鑄造件和鍛造件硬度值變化比較2）透過鍛壓、碾壓複合成型工藝生產的車輪，其車輪孔和車輪槽是在壓力作用下碾壓成型的，原材料得到了充分利用。與傳統的鍛壓成型相比，降低了原材料消耗，有利於降低成本，提高產品市場競爭力。
3）從毛坯下料、上料、加熱、成型等全過程採用流水線作業、實現了機械化、自動化，明顯地降低了工人的勞動強度。工藝環境密閉，減少了工人的高溫輻射，有效地控制了有害氣體，噪聲明顯降低，改善了工人勞動環境，有利於保證工人職業健康。
4）工藝技術生產是在連續流水線上進行，工序間熱量散失較小，特別是加熱過程是在密閉的連續環境進行，明顯降低了熱能損耗，提高了能源利用率，實現了節能減排生產，對於降低碳排放，保護環境具有重要意義，密閉的連續環境對於產生的有害氣體得到了妥善處理，避免汙染環境。環保已成為全球未來的發展趨勢，隨著我國經濟的發展，有效利用能源、減少環境汙染、降低安全生產事故頻次，防止突發環境事件，確保生命安全的重要性日益凸顯。制定並執行環保政策和措施，致在保護環境的同時改善人民的生活質量，已經成為我國民生工程的關注點。
5）車輪作為起重機的一個重要組成部分，質量要求高，使用量大。近淨成型技術各工序自動化作業，生產效率明顯提高，將明顯縮短起重機車輪生產週期，能滿足不同使用者的交貨需要。
6) 高緻密性車輪精度較高，達到IT12 ～ IT13，可以明顯地節省後續精加工時間和費用，有利於提高生產效率和降低生產成本，提高產品市場競爭力。鍛壓、碾壓的複合工藝出來的毛坯車輪比傳統鍛造車輪精度高，大大降低了機加工的勞動強度，產品產出時間大幅度縮減，由原來的每工時10 件到目前的每工時15 件。
5 結論目前，起重機高緻密性車輪已推廣應用至單梁起重機、20 t 以下葫蘆雙梁起重機、以及龍門起重機等系列起重機產品上，銷往全國三十多個省市自治區、直轄市及國外市場。
鍛造碾壓車論材料密度大、硬度高、耐磨性好，增加了起重機使用壽命，不僅提高了生產效率，而且提升了產品的質量和外觀，相比傳統的生產工藝，熱能損耗減少50%，能源利用率提高了40%，實現了節能減排生產，對於見底碳排放，保護環境也具有重要意義。開創了國內起重機使用近淨成型技術生產高緻密性車輪的先河。
參考資料[1] GB/T699—2015 優質碳素結構鋼 [S].[2] GB/T1800.3—1998 標準公差值 [S].[3] JB/T5000.15—2007 重型機械通用技術條件 鍛鋼件無損檢測 [S].[4] JB/T6392—200 起重機車輪 [S].[5] 張質文，虞和謙，王金諾, 等 . 起重機設計手冊[M]. 北京：鐵道出版社出版，1998.