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      盾構式隧道掘進機中心鑄件的鑄造工藝

      2013-03-25 06:12:58羅永揚徐爾靈
      中國鑄造裝備與技術 2013年3期
      關鍵詞:冒口鋼液模數

      羅永揚,徐爾靈,王 海

      (廣東省韶鑄集團有限公司,廣東韶關 502131)

      盾構式隧道掘進機是目前世界上最為先進的、挖掘效率最高的隧道挖掘設備。而“中心鑄件”是盾構式隧道挖掘機上的關鍵部件,內在質量要求高,產品結構復雜,操作難度大,我們通過合理的工藝設計生產出合格的產品。

      1 結構簡介及鑄造工藝分析

      1.1 中心鑄件簡介

      中心鑄件結構如圖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構,其中三個支腳兩板之間靠“H”形連接,另一個靠“U”形連接。“H”、“U”形內外為空檔位。鑄件材質為GS-52,輪廓尺寸為3800mm×3800mm×1350mm,毛重19000kg。

      圖1 中心鑄件結構圖

      1.2 中心鑄件技術要求

      中心鑄件外表面要求100%MT 檢驗,符合GB9444-88Ⅱ級要求;產品聯接法蘭、四條支腿、四條支腿與上法蘭過渡聯接部位要求UT 檢驗,按GB7233-87 標準中不低于Ⅱ級要求。

      1.3 鑄造工藝難度分析

      從中心鑄件結構和技術要求來分析,鑄造生產的主要難度是內在質量的保證和爪位變形的預防。

      結構方面。這類產品結構不歸一,比較復雜,空間空位多,立體感強。由于產品尺寸大,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,這種結構很容易使鑄件發(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,情況嚴重的就可能使鑄件產生報廢;四個支腳為雙層板狀結構,其中三個支腳兩板之間靠“H”形連接,另一個靠“U”形連接。“H”、“U”形內外為空檔位,給工藝設計和造芯增加了難度,同樣也易使鑄件產生變形。鑄件熱節(jié)在四個支腿處,熱節(jié)圓直徑達到300mm,從鑄件模數和補縮量考慮,鑄件需設計的冒口較大,同時由于產品材質為GS-52,冒口切割需鑄態(tài)帶溫熱割,給切割增加了一定的困難。

      2 工藝方案和主要工藝參數的確定

      2.1 鑄造工藝方案

      經過分析,制定了中心鑄件的工藝方案。四個支腳以下出實樣,支腳以上采用內外組芯的方法來生產。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,支腳間設有拉筋,同時支腳的分散小熱節(jié)設有外冷鐵。鑄造工藝如圖2。

      圖2 鑄造工藝方案

      2.2 鑄造工藝參數

      根據鑄造生產經驗,鑄造收縮率取2%,按GB/T6414-1999《鑄件尺寸公差與機械加工余量》的規(guī)定,加工余量按CT14/J 級,但考慮到此類產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,法蘭內側25mm。同時考慮到變形原因,支腳和上部法蘭內側不加工的平面工藝給了5mm 補正量。

      3 冒口設計

      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,所以冒口位置設在支腳對應部位的法蘭上,冒口數量初步也定為四個。

      3.2 冒口參數的計算

      采用模數法計算冒口尺寸。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:

      得M1為75mm,M2為105mm。由于M1<M2,所以以支腳的模數M2為鑄件的模數,考慮安全系數1.1~1.2,所以冒口的模數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,所以要調整冒口的尺寸,將冒口調整為?750×900(mm)。這時冒口的總重為11592kg,鑄件的澆重為31088kg。復算:

      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,所以調整后的冒口是安全的。

      3.4 冒口間的補縮距離

      由于冒口設有四個,冒口的中心距為1760mm,支腳高度約為900mm,經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)

      按我公司的生產條件和結合鑄件的澆注重量,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)質鑄件的重要因素之一,在澆注過程中應使鋼液快速、平穩(wěn)地充滿型腔,但是澆注速度過快,會產生渦流,卷入氣體,使鑄件產生氣孔,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生應力至脫落,造成鑄件夾砂或結疤,同時也可能使鑄件產生粘砂。此外,還會使鑄件表面氧化使鑄件產生皺紋、隔層等缺陷。根據鑄件的主要壁厚大于40mm(上升速度應在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——同時澆注的澆煲數量(個);

      v包——澆注速度,?60 包眼流速取90kg/s;

      n——包孔數量,取3。

      t=31088/(3×90)=115(s)

      所以經計算澆注時間為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

      根據我們多年的鑄造經驗,為確保中心鑄件澆注過程達到快速、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(內澆道)采用?60mm 的耐火磚,并且一個直澆道管、兩道橫澆道(內澆道)以達到開放的目的。

      5 CAE 模擬

      我們對中心鑄件的鑄造工藝進行了CAE 模擬,從模擬結果可知,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 結論

      按上述設定的工藝和工藝參數,我們生產了多件盾構式隧道掘進機的中心鑄件,產品交付給客戶后,經過客戶的檢查和驗收,都能滿足客戶的技術要求。并且經過客戶的使用(我們公司從2006 年就開始生產中心鑄件),至今也未收到有關產品的質量投訴。

      [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.

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