羅永揚(yáng)，徐爾靈，王 海

（廣東省韶鑄集團(tuán)有限公司，廣東韶關(guān) 502131）

盾構(gòu)式隧道掘進(jìn)機(jī)是目前世界上最為先進(jìn)的、挖掘效率最高的隧道挖掘設(shè)備。而“中心鑄件”是盾構(gòu)式隧道挖掘機(jī)上的關(guān)鍵部件，內(nèi)在質(zhì)量要求高，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作難度大，我們通過合理的工藝設(shè)計生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。

1 結(jié)構(gòu)簡介及鑄造工藝分析

1.1 中心鑄件簡介

中心鑄件結(jié)構(gòu)如圖1 所示，四個支腳與上部法蘭僅靠四個斜的橢圓形支腿連接，其余地方為空位；四個支腳為雙層板狀結(jié)構(gòu)，其中三個支腳兩板之間靠“H”形連接，另一個靠“U”形連接?！癏”、“U”形內(nèi)外為空檔位。鑄件材質(zhì)為GS-52，輪廓尺寸為3800mm×3800mm×1350mm，毛重19000kg。

圖1 中心鑄件結(jié)構(gòu)圖

1.2 中心鑄件技術(shù)要求

中心鑄件外表面要求100%MT 檢驗，符合GB9444-88Ⅱ級要求；產(chǎn)品聯(lián)接法蘭、四條支腿、四條支腿與上法蘭過渡聯(lián)接部位要求UT 檢驗,按GB7233-87 標(biāo)準(zhǔn)中不低于Ⅱ級要求。

1.3 鑄造工藝難度分析

從中心鑄件結(jié)構(gòu)和技術(shù)要求來分析，鑄造生產(chǎn)的主要難度是內(nèi)在質(zhì)量的保證和爪位變形的預(yù)防。

結(jié)構(gòu)方面。這類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不歸一，比較復(fù)雜，空間空位多，立體感強(qiáng)。由于產(chǎn)品尺寸大，給底箱造型翻箱增加了很大的難度，如果不翻箱則很難保證砂模的緊實度（因為鑄件底面構(gòu)成是一個大平面，不翻箱不利于舂砂）；四個支腳與上部法蘭僅靠四個斜的橢圓形支腿連接，其余地方為空位，這種結(jié)構(gòu)很容易使鑄件發(fā)生變形，給鑄造工藝和熱處理增加了不少困難。如果鑄件一變形，后工序則要化大量的人力物力來校正處理，情況嚴(yán)重的就可能使鑄件產(chǎn)生報廢；四個支腳為雙層板狀結(jié)構(gòu)，其中三個支腳兩板之間靠“H”形連接，另一個靠“U”形連接?！癏”、“U”形內(nèi)外為空檔位，給工藝設(shè)計和造芯增加了難度，同樣也易使鑄件產(chǎn)生變形。鑄件熱節(jié)在四個支腿處,熱節(jié)圓直徑達(dá)到300mm,從鑄件模數(shù)和補(bǔ)縮量考慮,鑄件需設(shè)計的冒口較大，同時由于產(chǎn)品材質(zhì)為GS-52,冒口切割需鑄態(tài)帶溫?zé)岣?，給切割增加了一定的困難。

2 工藝方案和主要工藝參數(shù)的確定

2.1 鑄造工藝方案

經(jīng)過分析，制定了中心鑄件的工藝方案。四個支腳以下出實樣，支腳以上采用內(nèi)外組芯的方法來生產(chǎn)。為保證四個支腳在同一水平面,避免高低有誤差，支腳之間的空位用實樣連成整體；為防止四個支腳變形，支腳間設(shè)有拉筋，同時支腳的分散小熱節(jié)設(shè)有外冷鐵。鑄造工藝如圖2。

圖2 鑄造工藝方案

2.2 鑄造工藝參數(shù)

根據(jù)鑄造生產(chǎn)經(jīng)驗，鑄造收縮率取2%，按GB/T6414-1999《鑄件尺寸公差與機(jī)械加工余量》的規(guī)定，加工余量按CT14/J 級，但考慮到此類產(chǎn)品是組芯且不易抽砂的原因，加工余量放寬了一級，頂面為20mm，底面為16mm，法蘭內(nèi)側(cè)25mm。同時考慮到變形原因，支腳和上部法蘭內(nèi)側(cè)不加工的平面工藝給了5mm 補(bǔ)正量。

3 冒口設(shè)計

3.1 冒口位置的確定

中心鑄件由于有四個支腳與上部法蘭連接，且熱節(jié)在支腳上，所以冒口位置設(shè)在支腳對應(yīng)部位的法蘭上，冒口數(shù)量初步也定為四個。

3.2 冒口參數(shù)的計算

采用模數(shù)法計算冒口尺寸。上部法蘭截面尺寸為：厚210mm，寬525mm；支腳截面尺寸為：厚300 mm，寬700mm。按公式樣（1）計算鑄件的幾何模數(shù)：

得M1為75mm，M2為105mm。由于M1＜M2，所以以支腳的模數(shù)M2為鑄件的模數(shù)，考慮安全系數(shù)1.1～1.2，所以冒口的模數(shù)M0為115.5～126。因此初步選定冒口的尺寸為?750×800（mm）。

3.3 冒口補(bǔ)縮效率

按初選的冒口尺寸和考慮澆注系統(tǒng)的重量，可算出冒口的總重為10300kg，鑄件的澆注重量為29800kg。冒口的補(bǔ)縮效率按14%，鑄件的體收縮按5%。[2]由此可計算出冒口可提供的有效補(bǔ)縮量G1和鑄件凝固收縮所需的鋼液量G2如下：

由于G1＜G2，即冒口所提供的鋼液量不能滿足鑄件凝固收縮所需的鋼液量，所以要調(diào)整冒口的尺寸，將冒口調(diào)整為?750×900(mm)。這時冒口的總重為11592kg，鑄件的澆重為31088kg。復(fù)算：

由于G1＞G2，即冒口所提供的鋼液量能滿足鑄件凝固收縮所需的鋼液量，所以調(diào)整后的冒口是安全的。

3.4 冒口間的補(bǔ)縮距離

由于冒口設(shè)有四個，冒口的中心距為1760mm，支腳高度約為900mm，經(jīng)計算冒口間的橫向距離為632mm,約等于三倍法蘭厚度，所以橫向距離是安全的；冒口的縱向距離（即支腳高度）為900mm,也是等于三倍支腳厚度，所以縱向距離也是安全的。

4 澆注系統(tǒng)

按我公司的生產(chǎn)條件和結(jié)合鑄件的澆注重量，我們采用兩煲三眼（一個雙眼煲和一個單眼煲）澆注，為確保鋼液能快速、平穩(wěn)地充型，澆注系統(tǒng)采用開放式的澆注系統(tǒng)。

4.1 鋼液在型腔中上升速度的確定

鋼液在型腔中上升速度是否合適是獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的重要因素之一，在澆注過程中應(yīng)使鋼液快速、平穩(wěn)地充滿型腔，但是澆注速度過快，會產(chǎn)生渦流，卷入氣體，使鑄件產(chǎn)生氣孔，而且型芯會受到較大沖刷而破壞；如果上升速度過慢，型腔上部會因長時間受熱輻射而產(chǎn)生應(yīng)力至脫落，造成鑄件夾砂或結(jié)疤，同時也可能使鑄件產(chǎn)生粘砂。此外，還會使鑄件表面氧化使鑄件產(chǎn)生皺紋、隔層等缺陷。根據(jù)鑄件的主要壁厚大于40mm（上升速度應(yīng)在8mm/s～20mm/s），[3]所以暫取中心鑄件的鋼液在型腔中的最小上升速度為8mm/s。

4.2 澆注時間的確定

按公式（2）計算澆注時間：

式中：GL——鑄件澆注量，kg；

N——同時澆注的澆煲數(shù)量（個）；

v包——澆注速度，?60 包眼流速取90kg/s；

n——包孔數(shù)量，取3。

t=31088/（3×90）=115（s）

所以經(jīng)計算澆注時間為115s。

4.3 鋼液上升速度的驗算

按公式（3）計算澆注速度：

式中：h——鑄件在澆注位置的高度，1350mm。

所以經(jīng)計算鋼液上升速度約為12mm/s。此速度略大于所確定的鋼液上升速度，說明我們確定的澆包眼是合理的。

4.4 澆注系統(tǒng)各組元截面積的確定

圖3 鑄件CAE 模擬

根據(jù)我們多年的鑄造經(jīng)驗，為確保中心鑄件澆注過程達(dá)到快速、平穩(wěn)地充型，采用開放式澆注系統(tǒng)。直澆道選用?80mm 的耐火磚，橫澆道（內(nèi)澆道）采用?60mm 的耐火磚，并且一個直澆道管、兩道橫澆道（內(nèi)澆道）以達(dá)到開放的目的。

5 CAE 模擬

我們對中心鑄件的鑄造工藝進(jìn)行了CAE 模擬，從模擬結(jié)果可知，鑄件的最后凝固在冒口里（圖3），且冒口里的縮孔、縮松距離鑄件有一定的安全高度。

6 結(jié)論

按上述設(shè)定的工藝和工藝參數(shù)，我們生產(chǎn)了多件盾構(gòu)式隧道掘進(jìn)機(jī)的中心鑄件，產(chǎn)品交付給客戶后，經(jīng)過客戶的檢查和驗收，都能滿足客戶的技術(shù)要求。并且經(jīng)過客戶的使用（我們公司從2006 年就開始生產(chǎn)中心鑄件），至今也未收到有關(guān)產(chǎn)品的質(zhì)量投訴。

[1]王君卿.《鑄造手冊》第2 版（第5 卷 鑄造工藝）[M].北京:械工業(yè)出版社，2003 年出版.