盾构式隧道掘进机中心铸件的铸造工艺

罗永扬，徐尔灵，王 海

（广东省韶铸集团有限公司，广东韶关 502131）

盾构式隧道掘进机是目前世界上最为先进的、挖掘效率最高的隧道挖掘设备。而“中心铸件”是盾构式隧道挖掘机上的关键部件，内在质量要求高，产品结构复杂，操作难度大，我们通过合理的工艺设计生产出合格的产品。

1 结构简介及铸造工艺分析

1.1 中心铸件简介

中心铸件结构如图1 所示，四个支脚与上部法兰仅靠四个斜的椭圆形支腿连接，其余地方为空位；四个支脚为双层板状结构，其中三个支脚两板之间靠“H”形连接，另一个靠“U”形连接。“H”、“U”形内外为空档位。铸件材质为GS-52，轮廓尺寸为3800mm×3800mm×1350mm，毛重19000kg。

图1 中心铸件结构图

1.2 中心铸件技术要求

中心铸件外表面要求100%MT 检验，符合GB9444-88Ⅱ级要求；产品联接法兰、四条支腿、四条支腿与上法兰过渡联接部位要求UT 检验,按GB7233-87 标准中不低于Ⅱ级要求。

1.3 铸造工艺难度分析

从中心铸件结构和技术要求来分析，铸造生产的主要难度是内在质量的保证和爪位变形的预防。

结构方面。这类产品结构不归一，比较复杂，空间空位多，立体感强。由于产品尺寸大，给底箱造型翻箱增加了很大的难度，如果不翻箱则很难保证砂模的紧实度（因为铸件底面构成是一个大平面，不翻箱不利于舂砂）；四个支脚与上部法兰仅靠四个斜的椭圆形支腿连接，其余地方为空位，这种结构很容易使铸件发生变形，给铸造工艺和热处理增加了不少困难。如果铸件一变形，后工序则要化大量的人力物力来校正处理，情况严重的就可能使铸件产生报废；四个支脚为双层板状结构，其中三个支脚两板之间靠“H”形连接，另一个靠“U”形连接。“H”、“U”形内外为空档位，给工艺设计和造芯增加了难度，同样也易使铸件产生变形。铸件热节在四个支腿处,热节圆直径达到300mm,从铸件模数和补缩量考虑,铸件需设计的冒口较大，同时由于产品材质为GS-52,冒口切割需铸态带温热割，给切割增加了一定的困难。

2 工艺方案和主要工艺参数的确定

2.1 铸造工艺方案

经过分析，制定了中心铸件的工艺方案。四个支脚以下出实样，支脚以上采用内外组芯的方法来生产。为保证四个支脚在同一水平面,避免高低有误差，支脚之间的空位用实样连成整体；为防止四个支脚变形，支脚间设有拉筋，同时支脚的分散小热节设有外冷铁。铸造工艺如图2。

图2 铸造工艺方案

2.2 铸造工艺参数

根据铸造生产经验，铸造收缩率取2%，按GB/T6414-1999《铸件尺寸公差与机械加工余量》的规定，加工余量按CT14/J 级，但考虑到此类产品是组芯且不易抽砂的原因，加工余量放宽了一级，顶面为20mm，底面为16mm，法兰内侧25mm。同时考虑到变形原因，支脚和上部法兰内侧不加工的平面工艺给了5mm 补正量。

3 冒口设计

3.1 冒口位置的确定

中心铸件由于有四个支脚与上部法兰连接，且热节在支脚上，所以冒口位置设在支脚对应部位的法兰上，冒口数量初步也定为四个。

3.2 冒口参数的计算

采用模数法计算冒口尺寸。上部法兰截面尺寸为：厚210mm，宽525mm；支脚截面尺寸为：厚300 mm，宽700mm。按公式样（1）计算铸件的几何模数：

得M1为75mm，M2为105mm。由于M1＜M2，所以以支脚的模数M2为铸件的模数，考虑安全系数1.1～1.2，所以冒口的模数M0为115.5～126。因此初步选定冒口的尺寸为ø750×800（mm）。

3.3 冒口补缩效率

按初选的冒口尺寸和考虑浇注系统的重量，可算出冒口的总重为10300kg，铸件的浇注重量为29800kg。冒口的补缩效率按14%，铸件的体收缩按5%。[2]由此可计算出冒口可提供的有效补缩量G1和铸件凝固收缩所需的钢液量G2如下：

由于G1＜G2，即冒口所提供的钢液量不能满足铸件凝固收缩所需的钢液量，所以要调整冒口的尺寸，将冒口调整为ø750×900(mm)。这时冒口的总重为11592kg，铸件的浇重为31088kg。复算：

由于G1＞G2，即冒口所提供的钢液量能满足铸件凝固收缩所需的钢液量，所以调整后的冒口是安全的。

3.4 冒口间的补缩距离

由于冒口设有四个，冒口的中心距为1760mm，支脚高度约为900mm，经计算冒口间的横向距离为632mm,约等于三倍法兰厚度，所以横向距离是安全的；冒口的纵向距离（即支脚高度）为900mm,也是等于三倍支脚厚度，所以纵向距离也是安全的。

4 浇注系统

按我公司的生产条件和结合铸件的浇注重量，我们采用两煲三眼（一个双眼煲和一个单眼煲）浇注，为确保钢液能快速、平稳地充型，浇注系统采用开放式的浇注系统。

4.1 钢液在型腔中上升速度的确定

钢液在型腔中上升速度是否合适是获得优质铸件的重要因素之一，在浇注过程中应使钢液快速、平稳地充满型腔，但是浇注速度过快，会产生涡流，卷入气体，使铸件产生气孔，而且型芯会受到较大冲刷而破坏；如果上升速度过慢，型腔上部会因长时间受热辐射而产生应力至脱落，造成铸件夹砂或结疤，同时也可能使铸件产生粘砂。此外，还会使铸件表面氧化使铸件产生皱纹、隔层等缺陷。根据铸件的主要壁厚大于40mm（上升速度应在8mm/s～20mm/s），[3]所以暂取中心铸件的钢液在型腔中的最小上升速度为8mm/s。

4.2 浇注时间的确定

按公式（2）计算浇注时间：

式中：GL——铸件浇注量，kg；

N——同时浇注的浇煲数量（个）；

v包——浇注速度，ø60 包眼流速取90kg/s；

n——包孔数量，取3。

t=31088/（3×90）=115（s）

所以经计算浇注时间为115s。

4.3 钢液上升速度的验算

按公式（3）计算浇注速度：

式中：h——铸件在浇注位置的高度，1350mm。

所以经计算钢液上升速度约为12mm/s。此速度略大于所确定的钢液上升速度，说明我们确定的浇包眼是合理的。

4.4 浇注系统各组元截面积的确定

图3 铸件CAE 模拟

根据我们多年的铸造经验，为确保中心铸件浇注过程达到快速、平稳地充型，采用开放式浇注系统。直浇道选用ø80mm 的耐火砖，横浇道（内浇道）采用ø60mm 的耐火砖，并且一个直浇道管、两道横浇道（内浇道）以达到开放的目的。

5 CAE 模拟

我们对中心铸件的铸造工艺进行了CAE 模拟，从模拟结果可知，铸件的最后凝固在冒口里（图3），且冒口里的缩孔、缩松距离铸件有一定的安全高度。

6 结论

按上述设定的工艺和工艺参数，我们生产了多件盾构式隧道掘进机的中心铸件，产品交付给客户后，经过客户的检查和验收，都能满足客户的技术要求。并且经过客户的使用（我们公司从2006 年就开始生产中心铸件），至今也未收到有关产品的质量投诉。

[1]王君卿.《铸造手册》第2 版（第5 卷 铸造工艺）[M].北京:械工业出版社，2003 年出版.