盾構式隧道掘進機中心鑄件的鑄造工藝

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。鑄件熱節在四個支腿處,熱節圓直徑達到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

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、平穩地充型，澆注系統采用開放式的澆注系統。

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質鑄件的重要因素之一，在澆注過程中應使鋼液快速、平穩地充滿型腔，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、平穩地充型，采用開放式澆注系統。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:械工業出版社，2003 年出版.