鋼結構在鑄造模樣及芯盒制造中的應用

2015-11-16 06:04:18張娟

金屬加工(熱加工) 2015年11期

■張娟

1. 概述

隨著船舶、礦機等大型復雜鑄件市場的需要，對模樣及芯盒質量提出了更高的要求，通過總結前期鋼木結構模板及鋼木結構芯盒框的成功經驗，不斷研究、討論、模擬，將鋼結構引入模樣內骨架，以增加模樣的強度、尺寸穩定性、使用壽命及可操作性，且由于鋼材的可重復利用性，從而大幅降低了模樣及芯盒的制作成本。

木材由于其本身的特性，已經遠不能滿足現代鑄造對模樣及芯盒的要求，根據前期使用鋼材的經驗，本文針對大型及部分高檔鑄件對模樣及芯盒強度有特殊生產要求時進行技術改進，增加鋼材的使用量，在模樣及芯盒的關鍵部位使用鋼材，以增加其使用強度，為今后生產大型或要求較高的鑄件打下良好的基礎。

圖1 船舶支架鑄件

2. 質量改進

（1）船舶類鑄件船舶支架（見圖1）空間復雜曲面完全屬于三維空間模型，其圈料制作難度極大，強度根本無法保證，且由于船舶支架本身的結構設計，模樣及芯盒非常容易變形，尺寸精度也很難保證。如果按照常規的制作方法，不但耗材嚴重，而且非常笨重，對填砂造型增加了很大的難度，砂型制造質量也很低，合型時損毀率非常高，對于后續所鑄造出的產品影響很大，廢品率也較高，最高達到了90%以上。這種類型的模樣及芯盒制作技術在國內尚沒有成功的制作方案，目前在國內屬于一個技術盲點。

此次變更設計的目的是克服現有技術的不足，提供一種工藝方法獨特、強度高、制作效率高、滿足顧客精度要求，且適用于遠洋科考船、深水鉆井船用船舶支架的一種空間復雜曲面芯盒的制造方法，如圖2、圖3所示。

為了實現設計目的，制作過程如下方式完成。

第一，選材：采用木材制作支架芯盒本體，在本體外加20mm厚隨形鋼架進行承載加固。

第二，建立模具三維空間模型：利用UG軟件，采用逐點網格曲面法對模型進行三維空間建模，然后圍繞模型設計隨形鋼架，保證鋼架與支架芯盒本體完全吻合。

第三，制作主承載鋼架：按前述設計的芯盒尺寸及形狀，精確地焊接出隨形鋼架。

第四，制作芯盒毛坯：采用焊接好的主承載鋼架進行分段圈料，各段再分區域圈輞料，在各段圈輞料時按工藝要求，留大填砂臥料口。

第五，加工芯盒：運用先前建立好的三維模型，通過計算機編程形成標準的加工程序，然后在五軸CNC上進行產品制作，最后將加工成形的芯盒進行表面處理，保證表面質量。

第六，芯盒檢測：采用精密的激光跟蹤儀對芯盒尺寸進行全面檢測，并與三維空間計算機模型進行對點檢測，保證芯盒本身尺寸及形位精度。

制作要求：①隨形鋼架為鋼板，規格尺寸為厚5～30mm、寬30～150mm、長度隨模型。②焊接隨形鋼架時鋼架分三段焊接。③鋼骨架采用厚5～30mm、寬30～150mm規格的鋼板進行10mm滿焊焊接。④大填砂臥料口大小為300～500mm。

采用鋼結構后，采用新芯盒的制芯效率大大提升，制芯控制在1.5h內，拆芯控制在1h內，效率提升3倍，鑄件廢品率由66.7%降低到12.5%，在合型過程中，縫隙控制在1mm左右，完全滿足鑄造現場的技術質量要求。通過再次生產調整，現在已經實現鑄件零廢品，鑄件尺寸完全滿足顧客要求，并且能夠給顧客提供批量化的供應。

（2）風電類鑄件風電類的定軸產品（見圖4），該產品長3700mm，一端直徑500mm，另一端直徑1354mm，整個鑄件呈圓柱體，用戶對同軸度要求很高。

芯盒材料如全采用木材制作，不僅強度差，在鑄造現場操作困難，生產效率低下，危險隱患大，且造成鑄件同軸度達不到顧客的要求。由于質量差的原因導致的廢品率達到了9 5%以上，造成鑄造不能批量生產的困難瓶頸。

為了解決這一問題，制作過程采用如下方式完成。

第一，建立芯盒三維空間模型：利用UG軟件，設計芯盒結構，利用三維點測方式，保證設計鋼架能夠滿足芯盒尺寸需要。

第二，鋼骨架內部引入木材鋪設，確保木材能夠保證50mm厚度。

第三，制作芯盒毛坯：將整個芯盒分成兩半制作，保證尺寸的精度，整體的半圓柱結構，能夠完全屏蔽掉前期同軸度差的問題。

第四，加工芯盒：運用先前建立好的三維模型，通過計算機編程形成標準的加工程序，然后在五軸CNC上進行產品制作，最后將加工成形的芯盒進行表面處理，保證表面質量。

第五，芯盒檢測：采用精密激光跟蹤儀對芯盒尺寸進行全面檢測，并與三維空間計算機模型進行對點檢測，保證芯盒本身尺寸及形位精度。

制作要求：①外圍使用100mm×100mm的方鋼。②內部用30mm厚的鋼板彎曲后，滿焊制作。③內部留有50mm左右的量鋪木料，確保芯盒尺寸精度。④五軸數控加工中心完成最后的芯盒表面成形，結構如圖5、圖6所示。

在鑄造現場生產驗證后，對這一結構得到了一致的肯定，制芯時間由原來的半天壓縮到20mi n，完全消除現場操作的安全隱患，由于兩半都是整體，砂芯精度提升，合型過程簡單化，尺寸精度提升，鑄件的同軸度完全符合用戶要求。