港珠澳大橋旅檢大樓主支撐架鑄造工藝研發(fā)

蘇志東

摘要： 介紹了港珠澳大橋工程旅檢大樓主支撐架高性能鑄件的結(jié)構(gòu)特點、技術(shù)條件。分析鑄件制造過程中可能出現(xiàn)的質(zhì)量問題，并針對這些潛在的質(zhì)量問題從鑄造工藝上提出了一系列的質(zhì)量控制措施。研究了分型面的選擇、加工量、縮尺、工藝補正量、補貼和澆注系統(tǒng)的設(shè)計，并利用先進的MAGMA模擬軟件對凝固及充型進行模擬仿真，最終達到了降低生產(chǎn)制造成本、提高鑄件質(zhì)量的目的。

Abstract： This paper introduces the structural features and technical conditions of the high performance castings of the main supporting frame for the inspection of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge. Castings manufacturing process of the quality problem which may occur was analyzed， a series of quality control measures were put forward in the light of these potential problems. The design of mold joint selection， padding and gating system has been studied. The advanced MAGMA solidification and mold filling simulation were used to reduce the cost and improve the quality of castings.

關(guān)鍵詞： 主支撐架；工藝研發(fā)；計算機模擬

Key words： main support frame；research and development of process；computer simulation

中圖分類號：TS913+.2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）29-0102-02

0 引言

港珠澳大橋工程旅檢大樓是港珠澳大橋的重要配套項目之一，建成后將成為連接港珠澳，實現(xiàn)三地互通的陸路口岸，也是全國唯一同時連接香港、珠海和澳門的口岸。

此次研發(fā)的鑄件為港珠澳大橋工程旅檢大樓主支撐架高性能鑄件，該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復雜，外部有四個支撐端，曲面復雜，外部表面質(zhì)量要求極高，內(nèi)腔空間狹小。同時也是公司首次研發(fā)的建筑領(lǐng)域的鑄鋼件，生產(chǎn)難度大，針對這些難點，設(shè)計了不同于以前的新的工藝。

1 工藝方案的確定

1.1 結(jié)構(gòu)及難點的分析

港珠澳大橋工程旅檢大樓主支撐架高性能鑄件結(jié)構(gòu)如圖1所示，輪廓尺寸為1950m×1711m×1536mm，重12.5t。

該鑄件有4個支撐端，且壁厚較大，底部法蘭背面凹槽寬度僅有110mm，容易粘砂。中間小孔直徑130mm，對砂芯定位及固定均不利。見圖2。

底部法蘭熱節(jié)較大，且法蘭盤內(nèi)徑較小，不利于鑄造補縮。

1.2 工藝方案設(shè)計

1.2.1 造型方案的確定[1]

根據(jù)該類鑄件的結(jié)構(gòu)特點及技術(shù)質(zhì)量要求，并吸取以往生產(chǎn)類似結(jié)構(gòu)鑄件的經(jīng)驗，選取實樣造型及內(nèi)腔設(shè)計砂芯來形成鑄件的型腔的工藝方案，根據(jù)鑄件的拔模斜度，在負稍部分設(shè)計支撐胎板來保證外模樣的整體性。選擇支撐胎板底面作為分型面，見圖3。

由于鑄件內(nèi)腔空間狹小，在實際澆注鋼水充型的過程中，容易發(fā)生砂型沖蝕、型砂燒結(jié)的現(xiàn)象，從而導致鑄件表面粘砂問題的發(fā)生，且芯頭只有底部可以固定。綜合考慮，將內(nèi)腔芯分為兩個芯，采用新鉻礦砂加氧化鐵粉打制砂芯，再通過芯骨將砂芯固定于下箱砂型上。防止砂芯澆注時受鋼水沖擊擺動，保證內(nèi)腔的尺寸合格，見圖4。

1.2.2 鑄件縮尺、補正量和反變形量的設(shè)計

鑄鋼件的收縮分為液態(tài)收縮、凝固收縮和固態(tài)收縮，在凝固收縮和固態(tài)收縮產(chǎn)生的線收縮（即縮尺），影響鑄件尺寸，參考以往生產(chǎn)的各類鑄鋼件的實際縮尺，該類產(chǎn)品縮尺在1.6%～2.0%之間，由于該產(chǎn)品壁厚變化較大，各部分的線收縮不同，對內(nèi)腔、支撐端面、法蘭背面等部位給予合適的補正量來調(diào)整鑄件尺寸。

1.2.3 鑄件的冒口及補貼的設(shè)計

由于鑄件的結(jié)構(gòu)、分型面的位置等已固定，因此冒口的位置也就基本確定，且該鑄件外表面質(zhì)量要求極高，故盡量避免在外表面（鑄造毛面）設(shè)置工藝信息。根據(jù)鑄件熱節(jié)分布情況，由水平補縮距離、鑄件模數(shù)等確定出冒口的尺寸和數(shù)量，再用補縮量法進行校驗。冒口的設(shè)計采用模數(shù)法。這種方法的基本原理是冒口應比鑄件受補縮部分晚凝固，以冒口中的金屬液補縮鑄件使鑄件致密[2]。

明冒口的選擇取決于支撐端的模數(shù)，計算支撐端模數(shù)后，即可得知明冒口模數(shù)，根據(jù)冒口模數(shù)再選擇合適的冒口尺寸。底部法蘭盤位置也為熱節(jié)集中區(qū)，內(nèi)腔中間設(shè)置暗冒口往兩側(cè)補縮，同時根據(jù)暗冒口可提供的補縮距離，在補縮的末端區(qū)增加冷鐵，見圖5。

在內(nèi)腔中部設(shè)置暗冒口，必須注意在暗冒口與明冒口之間處于熔融狀態(tài)期間，能從上部的明冒口向下部的暗冒口補給鋼液。并要求，在中間部位凝固之后，暗冒口必須能充分利用其自身的補縮能力。因此，設(shè)置暗冒口時，其重量的1/3應看作鑄件的一部份進行考慮，以免補縮鋼水量不足而產(chǎn)生縮孔。暗冒口的計算方法與明冒口的計算方法相同。明冒口的選擇在保證模數(shù)的基礎(chǔ)上，還需要通過補縮液量來校核。

通過模數(shù)計算確定冒口和補貼后，應用MAGMA凝固模擬與模數(shù)計算相互驗證，保證順序凝固和有效補縮，確保缸體內(nèi)無任何缺陷。見圖6。

1.2.4 澆注系統(tǒng)的設(shè)計

澆注系統(tǒng)是砂型中引導液態(tài)金屬進入型腔的通道，澆注系統(tǒng)必須保證鋼液平穩(wěn)、迅速且連續(xù)的流入型腔，并能夠順利排氣、浮渣，同時調(diào)節(jié)鑄型內(nèi)的溫度分布，強化鑄件補縮。

本產(chǎn)品采用開放式澆注系統(tǒng)，進流的內(nèi)澆口位置設(shè)置在內(nèi)腔暗冒口的下方，使金屬液流經(jīng)冒口進入型腔，提高暗冒口的補縮效果。通過計算，根據(jù)澆注時間、內(nèi)澆口出流速度和液面上升速度，選取合適的內(nèi)澆口數(shù)量和尺寸。同時鑒于該鑄件表面質(zhì)量要求極其嚴格，為避免鑄件表面產(chǎn)生夾渣等缺陷，在內(nèi)澆口處使用過濾器來保證進入型腔鋼液的純凈度。

利用模擬軟件，對澆注系統(tǒng)進行模擬優(yōu)化改進，設(shè)計出最佳的澆注系統(tǒng)。

1.2.5 模樣的選擇

鑒于鑄件外表面（鑄造毛面）A1（鑄造毛面粗糙度要求）的要求及該鑄件的批量化生產(chǎn)，該鑄件模樣設(shè)計時選擇主體木質(zhì)模型，外表面為樹脂層，來提高半成品的表面質(zhì)量及強度，為鑄件的表面質(zhì)量提供保障。

2 產(chǎn)品質(zhì)量驗證

從鑄件尺寸和NDT檢測結(jié)果來看，鑄件壁厚符合設(shè)計要求，滿足顧客規(guī)范。鑄件整體組織致密，無縮松，性能滿足顧客要求，鑄件質(zhì)量較好，該鑄造工藝可行。

3 結(jié)束語

研究港珠澳大橋工程旅檢大樓主支撐架鑄件的結(jié)構(gòu)，利用MAGMA模擬檢驗，確定最優(yōu)的鑄造工藝，同時采取合適材料的模樣及澆注系統(tǒng)的綜合設(shè)計，保證鑄件的外觀質(zhì)量，工藝設(shè)計時在冒口、補貼、冷鐵、砂芯等工藝措施方面逐步優(yōu)化，確保工藝的可靠性。結(jié)論具體如下：①模型采用主體木質(zhì)模型加芯盒配置方案，采用芯頭小間隙及適當工藝補正量確保鑄件尺寸；②采用新鉻礦砂加氧化鐵粉工藝造型、制芯，防止鑄件孔、槽等狹小部位粘砂，針對復雜鑄件內(nèi)腔鑄造采用多芯頭搭接組合、聯(lián)合定位多個砂芯；③采用二分法澆注系統(tǒng)配合過濾器的使用減少鑄件表面夾砂、夾渣缺陷；④采用樹脂實樣模具來提高砂型的表面粗糙度及強度，從而來保證鑄件的鑄造毛面的粗糙度。

參考文獻：

[1]王君卿.鑄造工藝學[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003：45-64.

[2]王君卿.鑄造工藝學[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003：868.

[3]崔一正.工作平臺的鑄造工藝[J].現(xiàn)代鑄鐵，2005（02）.