張竣明

（太原重工股份有限公司，山西太原 030024）

掛舵臂是輪船舵軸系船尾動力部分的重要部件，是支撐、吊掛舵結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵件，掛舵臂的性能和質(zhì)量在船舶航運中起著非常重要的作用[1]。掛舵臂凈重151 t，主要輪廓尺寸為10 407 mm×6 140 mm×2 400 mm，最大壁厚為500 mm，最小壁厚處為100 mm，重量大、輪廓尺寸大、結(jié)構(gòu)復雜，鑄造控制難度大[2]，掛舵臂鑄件三維結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 掛舵臂鑄件三維簡圖

1 鑄件生產(chǎn)難點和改進關(guān)鍵點分析

掛舵臂作為支撐、吊掛舵結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵件，技術(shù)條件要求較高。按照技術(shù)協(xié)議和船級社相關(guān)規(guī)范，鑄件在加工精整打磨后，進行100%全面積磁粉探傷（MT）和100%全體積超聲波探傷（UT），按IACS No 69 等探傷標準執(zhí)行。掛舵臂在船廠需要焊接到船體預定位置的鋼板上，裙邊、筋板、坡口等位置為焊接點，因此尺寸要求準確，防止裝焊時鋼板和焊接筋板位置錯位。

由于掛舵臂的結(jié)構(gòu)特點，在生產(chǎn)過程中存在以下難點：

1）鑄件壁厚相差懸殊，高度又大，補縮困難，冒口尺寸設計難度大，工藝收得率存在偏差；

2）主體壁厚尺寸不均勻，由110 mm～180 mm 線性過渡，公差要求嚴格，且產(chǎn)品輪廓尺寸大，澆注過程中中間大芯上浮傾向大，壁厚尺寸控制難度較大。

綜合分析認為控制鑄件尺寸精度、保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下重點考慮兩個問題:

1）盡可能提高工藝收得率：

2）盡可能減小鑄件兩側(cè)壁厚尺寸偏差。

2 鑄件存在的主要質(zhì)量問題

近幾年我公司已經(jīng)生產(chǎn)多件此型號掛舵臂產(chǎn)品，經(jīng)過檢測發(fā)現(xiàn)鑄件存在以下主要問題：

1）鑄件主體結(jié)構(gòu)兩側(cè)壁厚不均勻，存在偏差為±20 mm～30 mm，不滿足圖紙尺寸要求；

2）已生產(chǎn)鑄件實際工藝收得率65.1%，與同類型產(chǎn)品相比工藝收得率偏低1%～3%；

3）鑄件裙邊、筋板壁厚尺寸檢測數(shù)據(jù)不準，位置尺寸偏差±（10 mm～20 mm），造成裙邊尺寸反復返工。

掛舵臂質(zhì)量除以上問題，表面質(zhì)量良好，氣孔、夾砂等鑄造缺陷較少，UT 和MT 探傷合格，滿足圖紙質(zhì)量要求。

3 工藝改進

3.1 提高工藝收得率

該掛舵臂毛重1 69.5 t，工藝液重260 t，工藝收得率65.1%，為了提高工藝收得率對前面生產(chǎn)的兩件掛舵臂冒口進行解剖測量實際補縮余量，統(tǒng)計分析后再確定冒口最佳尺寸。同時用發(fā)熱冒口替代普通的保溫冒口，延長冒口內(nèi)鋼液的凝固時間，進一步提高補縮效果，減少冒口鋼水，提高收得率。

3.1.1 冒口解剖測量分析

掛舵臂冒口分布情況如圖2 所示。冒口解剖數(shù)據(jù)見表1.根據(jù)冒口解剖結(jié)果，兩種暗冒口的補縮余量很小，為保證產(chǎn)品質(zhì)量，小于50 mm 的補縮余量冒口不進行下調(diào)，直徑為1 500 mm 和1 600 mm 的明冒口補縮余量遠大于50 mm，冒口高度可以下調(diào)150 mm.冒口高度下調(diào)，冒口鋼水重量可以減少4 t，液重變?yōu)?56 t，收得率由65.1%提高到66.2%.

圖2 掛舵臂冒口分布簡圖（圓圈）

表1 冒口解剖數(shù)據(jù)

3.1.2 采用發(fā)熱冒口替代普通的保溫冒口解剖測量分析

冒口高度下調(diào)后并采用發(fā)熱冒口替代普通的保溫冒口生產(chǎn)掛舵臂，對發(fā)熱冒口進行解剖對冒口補縮余量進行測量，測量數(shù)據(jù)見表2.

表2 發(fā)熱冒口解剖數(shù)據(jù)

從表2 可以看出，兩種暗冒口的補縮余量遠大于50 mm，冒口高度可以下調(diào)100 mm.兩個直徑為1 500 mm 和1 600 mm 的明冒口補縮余量很小，為保證產(chǎn)品質(zhì)量，小于50 mm 的補縮余量冒口不進行下調(diào)。冒口調(diào)整后鋼水重量可以繼續(xù)減少4 t，液重變?yōu)?52 t，收得率由66.2%提高到67.3%.

經(jīng)過改進，最終掛舵臂收得率提高到67.3%.

3.2 壁厚不均勻問題

3.2.1 壁厚不均勻原因

首件掛舵臂生產(chǎn)完后，經(jīng)測量，鑄件上面壁厚變薄30 mm，下面壁厚增厚20 mm.工藝防變形設計是在鑄件里側(cè)上下面分別設置了反變形量+40 mm 和-20 mm 如圖3 所示，同時在上表面設置5個螺紋卡硬頂子防止中間大芯上浮，如圖4 所示。

圖3 反變形設置

圖4 螺紋卡硬頂子設置（紅色圓圈）

經(jīng)過對工藝進行分析，掛舵臂壁厚不均勻問題主要是由于在鑄件澆注完之后，螺紋卡硬頂子阻礙中間大芯上浮的力度并不穩(wěn)定，螺紋卡硬頂子與芯骨和壓鐵之間剛性較差，造成中間大芯上浮，同時鑄件凝固過程應力也會造成鑄件變形，最終導致上下面壁厚不均問題。

3.2.2 壁厚不均勻改進措施

1）合理設置螺紋卡子數(shù)量和放置位置。原掛舵臂工藝上面設置了5 個螺紋卡硬頂子，現(xiàn)改進后螺紋卡子數(shù)量變?yōu)樯厦? 個，增加螺紋卡硬頂子與芯骨和壓鐵之間的剛性傳遞，使中間大芯不會出現(xiàn)上浮較多的情況，從而保證上面壁厚不會變薄。工藝措施如圖5 所示。

圖5 改進后掛舵臂螺紋卡子設置情況（紅色圓圈）

2）工藝設計取消下面壁厚的反變形，只在上面設置反變形量。當中間大芯不上浮的時候，下面壁厚能夠滿足圖紙要求。工藝措施如圖6 所示。

圖6 改進工藝后反變形設置

經(jīng)過上述兩方面工藝設計參數(shù)的改進，解決了掛舵臂兩側(cè)壁厚不均勻的問題，掛舵臂尺寸滿足圖紙尺寸要求。

3.3 裙邊、筋板偏差問題

3.3.1 裙邊、筋板偏差原因

裙邊、筋板偏差原因：1）用卷尺和直尺等普通測量工具測量，測量數(shù)據(jù)偏差較大。2）沒有有效的測量控制措施，影響測量最終結(jié)果。

3.3.2 裙邊、筋板偏差問題改進措施

針對裙邊、筋板測量不準確問題采取了如下措施：

1）劃線所用的工具和量具，嚴重影響劃線的精確度[4]。所以購買了船用鑄件劃線用的三維坐標儀進行測量，保證測量精確度。

2）改進劃線過程裙邊和筋板尺寸的控制。工藝要求加工前的第一次劃線要全面考慮裙邊、立筋、端面等各部位相關(guān)的毛坯尺寸，確定軸孔中心線基準之前要測量立面壁厚情況，基準不合適時要隨時做出調(diào)整。制定劃線檢測尺寸表，在劃線過程中按圖7 與表3 控制好相關(guān)尺寸。

圖7 尺寸檢驗圖

表3 尺寸檢驗數(shù)據(jù)表

4 工藝改進效果

1）工藝上合理設計螺紋卡子數(shù)量、位置和調(diào)整反變形設置方案，解決了掛舵臂上下壁厚偏差問題。

2）通過解剖冒口，分析各冒口補縮鑄件情況，在保證鑄件質(zhì)量的前提下，每件降低8 t 鋼水，提高了鑄件工藝收得率。

3）通過先進的測量設備和手段以及工藝設計過程檢驗圖表，保證了掛舵臂裙邊、筋板關(guān)鍵位置尺寸。

該型號的掛舵臂為批量生產(chǎn)產(chǎn)品，通過工藝改進，每件節(jié)省鋼水8 t，降低成本40 000 元，減少尺寸問題，降低焊材使用量500 kg/ 件，降低成本6 000 元。工藝改進效果非常明顯。