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構特點、技術條件。分析鑄件制造過程中可能出現的質量問題，并針對這些潛在的質量問題從鑄造工藝上提出了一系列的質量控制措施。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制造成本、提高鑄件質量的目的。

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，該產品結構復雜，外部有四個支撐端，曲面復雜，外部表面質量要求極高，內腔空間狹小。同時也是公司首次研發(fā)的建筑領域的鑄鋼件，生產難度大，針對這些難點，設計了不同于以前的新的工藝。

1 工藝方案的確定

1.1 結構及難點的分析

港珠澳大橋工程旅檢大樓主支撐架高性能鑄件結構如圖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，且法蘭盤內徑較小，不利于鑄造補縮。

1.2 工藝方案設計

1.2.1 造型方案的確定[1]

根據該類鑄件的結構特點及技術質量要求，并吸取以往生產類似結構鑄件的經驗，選取實樣造型及內腔設計砂芯來形成鑄件的型腔的工藝方案，根據鑄件的拔模斜度，在負稍部分設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、型砂燒結的現象，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)收縮產生的線收縮（即縮尺），影響鑄件尺寸，參考以往生產的各類鑄鋼件的實際縮尺，該類產品縮尺在1.6%～2.0%之間，由于該產品壁厚變化較大，各部分的線收縮不同，對內腔、支撐端面、法蘭背面等部位給予合適的補正量來調整鑄件尺寸。

1.2.3 鑄件的冒口及補貼的設計

由于鑄件的結構、分型面的位置等已固定，因此冒口的位置也就基本確定，且該鑄件外表面質量要求極高，故盡量避免在外表面（鑄造毛面）設置工藝信息。根據鑄件熱節(jié)分布情況，由水平補縮距離、鑄件模數等確定出冒口的尺寸和數量，再用補縮量法進行校驗。冒口的設計采用模數法。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，計算支撐端模數后，即可得知明冒口模數，根據冒口模數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)，內腔中間設置暗冒口往兩側補縮，同時根據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。

在內腔中部設置暗冒口，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的基礎上，還需要通過補縮液量來校核。

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

1.2.4 澆注系統(tǒng)的設計

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，同時調節(jié)鑄型內的溫度分布，強化鑄件補縮。

本產品采用開放式澆注系統(tǒng)，進流的內澆口位置設置在內腔暗冒口的下方，使金屬液流經冒口進入型腔，提高暗冒口的補縮效果。通過計算，根據澆注時間、內澆口出流速度和液面上升速度，選取合適的內澆口數量和尺寸。同時鑒于該鑄件表面質量要求極其嚴格，為避免鑄件表面產生夾渣等缺陷，在內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，該鑄件模樣設計時選擇主體木質模型，外表面為樹脂層，來提高半成品的表面質量及強度，為鑄件的表面質量提供保障。

2 產品質量驗證

從鑄件尺寸和NDT檢測結果來看，鑄件壁厚符合設計要求，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，鑄件質量較好，該鑄造工藝可行。

3 結束語

研究港珠澳大橋工程旅檢大樓主支撐架鑄件的結構，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)的綜合設計，保證鑄件的外觀質量，工藝設計時在冒口、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。結論具體如下：①模型采用主體木質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，針對復雜鑄件內腔鑄造采用多芯頭搭接組合、聯合定位多個砂芯；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].現代鑄鐵，2005（02）.