起重机高致密性车轮近净成型技术研究及应用

任海涛 高明利 胡胜超 李 峰
河南省矿山起重机有限公司 长垣 453400

摘要：研究分析起重机车轮生产质量状况，总结吸收车轮铸造、锻压传统生产成型技术，研究开发出能够明显提高起重机车轮组织致密度、尺寸精度达到 IT12 级，节能型成型技术，广泛用于起重机生产过程并取得显著经济效益。

关键词：起重机高精密车轮；近净成型技术；应用

中图分类号：TH21 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）10-0047-03

0 引言
起重机是进行物料起重、搬运、装卸的通用装备，广泛用于机械制造、冶金、化工、核能、航空、铁路港口码头等各个领域。车轮在起重机上的使用数量特别巨大，一套起重机少则8 套多则几十套；起重机车轮是重要承载件和关键的运行部件、它的质量决定着起重机是否能够安全可靠的工作，影响起重机工作效率、影响着起重机使用年限、寿命。因此, 对起重机生产及使用性能影响较大。关于车轮毛坯生产传统的生产工艺有锻压工艺和铸造工艺，传统的锻压工艺生产存在原材料消耗大、材料利用率低、后续加工量大、生产效率底、制造环境恶劣等问题；传统的铸造工艺除存在上述缺陷外，还存在产品零部件内部缺陷多、组织不致密强度低等问题。采用传统的铸造或锻造技术生产的起重机车轮在用户现场存在有车轮缘、轮槽疲劳寿命低、易磨损、易开裂等质量问题。车轮质量故障是起重机使用过程的常见故障，对机械制造、冶金、化工、核能、航空、铁路港口码头等各个领造成了重大影响。由此，起重机高致密性车轮近净成型技术有效的解决了以上问题。

1 起重机高致密性车轮近净成型技术
起重机高致密性车轮近净成型技术是将铸造、锻压和碾压轧制工艺融为一体，是金属原材料加热到熔点以上温度, 控制和改善内部成分，调整成份, 达到车轮成份要求, 浇铸成金属毛坯，冷却到固态再进行锻打墩粗、冲孔, 而后利用旋转设备工装与工件产生摩擦，带动工件相对旋转运动，在工件旋转过程设备不断施加挤压外力，反复摩擦、旋转、挤压成型，形成工件的轴孔、轮槽。碾压成型的主要技术创新点如下：
1） 将碾压成型技术应用于起重车轮成型制造，形成起重机车轮的近净成型工艺技术：
2） 研制了起重机车轮近净成型的碾压机：主要涉及滚压机、碾压机滚轮等工艺装备结构设计和制造；
3） 研发了高致密性车轮的研制工艺方法，开发出目前车轮制造的新工艺方法，制坯、滚压、精加工、检验、装机应用。

起重机高致密性车轮近净成型技术主要科技创新和关键技术工序成型是利用专用工艺设备碾压出车轮轮槽、外圆、内控、以及侧面等几何形状的技术；车轮成型后在非机械加工状态尺寸精度达到IT12 ～ IT13, 平均预留后续机械精加工余量2 ～ 3 mm；

起重机高致密性车轮近净成型技术是金属原材料加热到熔点以上温度控制和改善内部成分，调整成份、达到车轮成份要求浇铸成金属毛坯，冷却到固态锻打墩粗、冲孔、而后利用旋转模具与工件产生摩擦，带动工件相对旋转运动，在工件旋转过程设备不断施加挤压外力，反复摩擦旋转挤压成型获得高致密组织工件、产生的组织是：珠光体+ 网状铁素体。该工艺是一种新型环保生产制造工艺，主要工序步骤如下：
1）原材料成分检验，对选取的原料采用观察的方式进行表面检测和采用超声波的方式对内部缺陷进行检测，并选取初合格的原材料。
2）原材料金相分析，将步骤1）中选取的初合格的原材料采用定量金相学原理进行金相分析，并选取最终合格的原材料。
3）自动下料，将步骤2）中选取出的最终合格的原材料用下料机床定量切割下料。
4）自动上料，利用上料机将步骤3）中得到的切段后的原材料送入加热装置。
5）毛坯料加热，利用加热装置对切断后的原材料进行加热处理，其中加热温度控制在1 050 ℃～ 1 200℃的范围内，加热时间为10 ～ 15 min。
6）毛坯料自动工位转换，将步骤5）加热后的原材料送入锻压机床。
7）第一次锻压，利用锻压机床对加热后的原材料进行锻压，其中锻压压力为15 MPa，锻压次数为1 次。
8）第二次锻压，将步骤7）得到的锻压后的原材料利用锻压机床进行第二次锻压，其中锻压压力为20MPa，锻压次数为1 次。
9）冲压中心孔，将步骤8）得到的原材料利用冲孔机床进行冲压中心孔，其中冲压中心孔的压力为3 ～ 4MPa，中心孔的直径为75 mm。
10）扩中心孔，将步骤9）得到的冲压中心孔后的原材料在扩孔机床上进行扩中心孔，其中扩中心孔的压力为15 MPa，扩中心孔后的直径为147 mm。
11）碾槽成型，将步骤10）得到的扩中心孔后的原材料在成型机上进行碾槽，得到成型车轮；其中碾槽压力为15 MPa，碾槽深度为25 mm，碾槽宽度为65mm。
12）工件控温冷却，将步骤11）得到的成型车轮在空冷环境中进行冷却至常温，其中冷却时间为至少12 h；待转到下道工序。

3 起重机高致密性车轮近净成型技术成型原理
图1 为车轮近净成型工艺设备工作原理，将铸成的初次金属毛坯冷却到固态，经过锻打墩粗、冲孔、经过专用碾压装置进行碾压制车轮槽、扩孔加工出车轮。将冲压孔后的工件放到支撑轴上，然后启动固定架上端的液压装置，液压装置推动滑动块向下运动，使滑动块上连接的限位盘将车轮工件卡在之间，启动转动电机使得车轮工件在摩擦力的作用下与限位盘一起转动，同时液压装置不断的施加向下的力，车轮工件在下部车轮外缘碾压装置和车轮槽碾压装置的共同作用下，挤压出槽。外缘碾压轮包括中心槽轮和两侧设置的外缘轮，由于外缘轮的作用可有效地避免轮槽碾压成型时边缘拱起的现象。此外在底部设置的支撑装置，可有效地避免由于液压装置作用，支撑轴发生变形和断裂的情况。支撑轴设有轴套，轴套与限位盘位置对应，可使车轮工件在其间转动，保证了内部孔的圆度和圆柱度。如图2 所示，新技术生产的车轮距圆弧面5 ～ 25mm 硬度变化比较平缓；从外到内传统的铸造件和锻造件硬度值变化快。

4 起重机高致密性车轮近净成型技术特点
1）从车轮的产品性能看，经过锻压、碾压等复合成型的车轮金属组织更细密、晶格进一步细化，并彻底消除了金属组织内部的气孔、夹杂等缺陷，其质量应符合JB/T5000.15—2007 中III 级的规定。使得车轮的承载能力和抗疲劳强度进一步提高，明显地提高了车轮的使用寿命。

图 1 工作原理图

图 2 新技术与传统的铸造件和锻造件硬度值变化比较
2）通过锻压、碾压复合成型工艺生产的车轮，其车轮孔和车轮槽是在压力作用下碾压成型的，原材料得到了充分利用。与传统的锻压成型相比，降低了原材料消耗，有利于降低成本，提高产品市场竞争力。

3）从毛坯下料、上料、加热、成型等全过程采用流水线作业、实现了机械化、自动化，明显地降低了工人的劳动强度。工艺环境密闭，减少了工人的高温辐射，有效地控制了有害气体，噪声明显降低，改善了工人劳动环境，有利于保证工人职业健康。

4）工艺技术生产是在连续流水线上进行，工序间热量散失较小，特别是加热过程是在密闭的连续环境进行，明显降低了热能损耗，提高了能源利用率，实现了节能减排生产，对于降低碳排放，保护环境具有重要意义，密闭的连续环境对于产生的有害气体得到了妥善处理，避免污染环境。环保已成为全球未来的发展趋势，随着我国经济的发展，有效利用能源、减少环境污染、降低安全生产事故频次，防止突发环境事件，确保生命安全的重要性日益凸显。制定并执行环保政策和措施，致在保护环境的同时改善人民的生活质量，已经成为我国民生工程的关注点。

5）车轮作为起重机的一个重要组成部分，质量要求高，使用量大。近净成型技术各工序自动化作业，生产效率明显提高，将明显缩短起重机车轮生产周期，能满足不同用户的交货需要。

6) 高致密性车轮精度较高，达到IT12 ～ IT13，可以明显地节省后续精加工时间和费用，有利于提高生产效率和降低生产成本，提高产品市场竞争力。锻压、碾压的复合工艺出来的毛坯车轮比传统锻造车轮精度高，大大降低了机加工的劳动强度，产品产出时间大幅度缩减，由原来的每工时10 件到目前的每工时15 件。

5 结论
目前，起重机高致密性车轮已推广应用至单梁起重机、20 t 以下葫芦双梁起重机、以及龙门起重机等系列起重机产品上，销往全国三十多个省市自治区、直辖市及国外市场。

锻造碾压车论材料密度大、硬度高、耐磨性好，增加了起重机使用寿命，不仅提高了生产效率，而且提升了产品的质量和外观，相比传统的生产工艺，热能损耗减少50%，能源利用率提高了40%，实现了节能减排生产，对于见底碳排放，保护环境也具有重要意义。开创了国内起重机使用近净成型技术生产高致密性车轮的先河。

参考资料
[1] GB/T699—2015 优质碳素结构钢 [S].
[2] GB/T1800.3—1998 标准公差值 [S].
[3] JB/T5000.15—2007 重型机械通用技术条件 锻钢件无损检测 [S].
[4] JB/T6392—200 起重机车轮 [S].
[5] 张质文，虞和谦，王金诺, 等 . 起重机设计手册[M]. 北京：铁道出版社出版，1998.