6m 級(jí)盾構(gòu)撐靴成形工藝改進(jìn)研究

張文凱，沈 淵

（中鐵科工集團(tuán)軌道交通裝備有限公司，湖北 武漢 430223）

0 引言

隨著城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，國內(nèi)各大城市均大力推進(jìn)城市地鐵建設(shè)，修建地鐵的專用工程設(shè)備盾構(gòu)機(jī)的應(yīng)用也越來越多。據(jù)北京盾構(gòu)工程協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)6 m 級(jí)常規(guī)盾構(gòu)機(jī)保有量已達(dá)2000 余臺(tái)[1]。一般常規(guī)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)3 km 隧道，需進(jìn)行專業(yè)化維保，目前國內(nèi)盾構(gòu)機(jī)的維保市場前景十分廣闊。同時(shí)隨著城市地下空間建設(shè)的發(fā)展，以往單一地層的施工環(huán)境將向復(fù)雜、復(fù)合地層方向發(fā)展，且不能破壞施工隧道上方的建筑物。因此，在復(fù)合地層的區(qū)間施工時(shí)，就要求盾構(gòu)機(jī)盡可能一次完成區(qū)間施工工作，減少設(shè)備在隧道內(nèi)停留的時(shí)間，降低施工地面產(chǎn)生沉降的風(fēng)險(xiǎn)。這就要求設(shè)備能滿足多種及復(fù)合地層施工的要求，當(dāng)在巖石地層中施工時(shí)，盾構(gòu)機(jī)刀盤旋轉(zhuǎn)挖掘出的隧道直徑要比盾體的直徑大，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中就容易因受力不均勻引起設(shè)備主體部分滾動(dòng)或產(chǎn)生較大幅度的振動(dòng)，從而對(duì)設(shè)備及施工安全產(chǎn)生潛在的危險(xiǎn)因素。

盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)為設(shè)備掘進(jìn)提供動(dòng)力，并由推進(jìn)系統(tǒng)中的撐靴裝置承受盾體因主體滾動(dòng)、大幅振動(dòng)產(chǎn)生的扭矩，從而來穩(wěn)定盾體姿態(tài)。國內(nèi)通常采用人工糾正、楔形塊糾正、彈簧固定支承防扭裝置等方法防止盾構(gòu)掘進(jìn)過程中盾體姿態(tài)失衡[2]。然而人工糾正，效率低、技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性較差；楔形塊糾正和彈簧固定支承防扭裝置均是對(duì)盾構(gòu)撐靴的加固優(yōu)化。因此，改進(jìn)盾構(gòu)撐靴成形工藝，改變其成形過程中的組織形態(tài)，提高其固有的結(jié)構(gòu)性能，對(duì)增強(qiáng)撐靴載荷承受能力，保障盾構(gòu)施工安全，具有重要的工程實(shí)現(xiàn)價(jià)值。

1 成形工藝改進(jìn)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的盾構(gòu)撐靴采用無縫鋼管和鋼板焊接成形，再機(jī)加工的工藝方案。在盾構(gòu)機(jī)維保中檢查發(fā)現(xiàn)，焊接成形的撐靴，在掘進(jìn)作業(yè)后，焊縫通常會(huì)出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展等缺陷，嚴(yán)重影響隧道施工的安全性。因此，提出了撐靴擠壓成形工藝方案。從撐靴零件的三維模型立體結(jié)構(gòu)圖（圖1）可以發(fā)現(xiàn)，盾構(gòu)撐靴的結(jié)構(gòu)為四周圓筒且周向部位為筒壁，在筒體結(jié)構(gòu)的底部有通孔、蔥孔均勻分布的結(jié)構(gòu)組織形式。盾構(gòu)撐靴原有的加工成形工藝方案為無縫鋼管和鋼板焊接成形，焊接處不可避免存在焊接缺陷，且焊接處金屬纖維組織不連續(xù)，在地下隧道掘進(jìn)的使用工況下易產(chǎn)生裂紋，存在使用安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 撐靴零件圖

在原有的焊接成型工藝中，采用材質(zhì)為20#鋼的無縫鋼管鋸切下料、材質(zhì)為Q355B 的鋼板火焰切割下料。無縫鋼管的尺寸為直徑φ330 mm，壁厚50mm，下料長度為255 mm，鋼板的下料尺寸為直徑φ330 mm，厚度55 mm。下料完成在無縫鋼管的一端開45°坡口，與鋼板拼接定位好后，采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊的方式焊接成型，撐靴焊接如圖2 所示。焊接過程采用橫位焊接，焊絲采用堿性焊條，先用較小電流打底焊接，然后在再換大電流，多層多道焊接填充蓋面，焊后保溫緩冷，盡可能減少氣孔、夾渣、未焊透、未熔合等缺陷。焊縫目視檢查合格后，采用磁粉探傷，Ⅱ級(jí)驗(yàn)收。

圖2 撐靴焊接圖

考慮到撐靴的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用要求，提出采用擠壓成形，形成完整金屬流線的加工方案[3-4]，擠壓件如圖3 所示。盾體筒形撐靴材料為Q355B，具有較高的強(qiáng)度和沖擊韌性。盾體撐靴擠壓零件的高度與筒體外徑的比值約為0.94，筒體外壁直徑為φ320 mm，內(nèi)壁直徑為φ236 mm，壁厚為42 mm，較為適合采用擠壓成形工藝?？紤]到撐靴零件筒體的內(nèi)外徑尺寸精度要求比較高，為了保證盾體撐靴筒體零件，擠壓后內(nèi)外徑尺寸在公差范圍以內(nèi)，查閱了零件所使用Q355B材料的熱膨脹率和收縮率數(shù)據(jù)，并據(jù)此計(jì)算出了擠壓成形所用凹模的尺寸及公差要求，確保盾體撐靴擠壓件的尺寸合乎設(shè)計(jì)尺寸要求。盾體撐靴零件對(duì)表面有一定要求，為了使擠壓件表面質(zhì)量合乎設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，分析后準(zhǔn)備采用熱擠壓成形方案，工藝路線具體設(shè)計(jì)為：型材鋸切下料—鋸坯加熱軟化—熱擠壓成形—再結(jié)晶退火—酸洗、磷/皂化—調(diào)質(zhì)處理—機(jī)械加工—后續(xù)處理。撐靴零件的整體成形加工思路，從金屬焊接成形改進(jìn)為金屬塑性成形，保留了零件成形過程中金屬流線的完整性，零件力學(xué)性能將提高，并避免了焊接成型過程中的焊縫缺陷。

圖3 撐靴擠壓件圖

2 成形方案的有限元模擬

2.1 有限元模型的建立

盾體撐靴零件工藝路線確定后，需要隨之確定熱擠壓過程中模具和坯料的預(yù)熱溫度，以及成形過程中金屬在模具內(nèi)的流動(dòng)情況和模具的受力情況[5]。采用Deform-3D 有限元分析模擬軟件對(duì)盾體撐靴的熱擠壓成形過程進(jìn)行模擬分析計(jì)算，通過仿真模擬的方式確定適宜的熱擠壓參數(shù)，減少工藝試驗(yàn)的成本[6-7]。首先根據(jù)盾體撐靴零件圖計(jì)算了擠壓坯料的體積，隨后選擇確定毛坯的具體尺寸。根據(jù)盾體撐靴零件圖上的尺寸，在Solid works 三維軟件中建立并成功裝配擠壓件和模具的三維立體幾何模型，然后分別導(dǎo)出為STL格式的模型文件，接著再導(dǎo)入到Deform-3D 有限元分析軟件中進(jìn)行模擬計(jì)算分析。盾構(gòu)撐靴擠壓成形的有限元分析模型如圖4 所示。由于盾體撐靴零件為回轉(zhuǎn)體形式的軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為了減少有限元分析模擬過程中的計(jì)算量，選定整個(gè)模型的一半1/2 作為模擬計(jì)算的對(duì)象。對(duì)零件毛坯結(jié)構(gòu)進(jìn)行四面體單元網(wǎng)格劃分，毛坯初始四面體網(wǎng)格單元數(shù)量為84669 個(gè)，四面體單元節(jié)點(diǎn)16797 個(gè)。毛坯初始溫度設(shè)定為1050 ℃，模具預(yù)熱溫度設(shè)定為400 ℃。模具運(yùn)動(dòng)過程中，定義凹模固定在初始位置，凸模沿Y軸負(fù)方向運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)速率設(shè)定為10 mm/s，凸模從剛開始接觸坯料即開始沿Y軸負(fù)方向運(yùn)動(dòng)，在坯料和模具的接觸邊界上施加常剪切摩擦模型，接觸摩擦因子設(shè)定為0.3，接觸熱傳導(dǎo)率設(shè)定為11 N/（s·mm·℃）。

圖4 撐靴擠壓成形有限元模型

2.2 成形過程金屬流動(dòng)規(guī)律分析

圖5 是盾構(gòu)撐靴熱擠壓成形模擬過程中，幾個(gè)關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)的坯料金屬流動(dòng)速度的矢量圖形[8]。在盾構(gòu)撐靴擠壓成形的初始階段，凸模剛接觸到毛坯后，坯料在凸模傳導(dǎo)的擠壓力的作用下逐漸開始進(jìn)行塑性變形。坯料金屬受到Y(jié)軸負(fù)方向擠壓力的作用，坯料中間部位緩慢變粗，并逐漸與凹模內(nèi)壁接觸，待坯料與凹模底部倒角充分接觸，直到填充完全后，隨著凸模沿Y軸負(fù)方向繼續(xù)運(yùn)行，凸模外壁金屬則開始有向上流動(dòng)形成筒壁的趨勢。由圖5（a）可知，撐靴擠壓成形初始階段，類似于墩粗的過程，坯料金屬中間慢慢變粗，逐漸與凹模壁接觸。坯料金屬與凹模壁充分接觸后，流動(dòng)的金屬會(huì)優(yōu)先填充凹模下部倒角的部位（圖5（b）），一直等到該倒角部位完全填充滿，再開始向筒壁反方向流動(dòng)（圖5（c））。剛開始填充凹模底部倒角時(shí)，金屬流動(dòng)速度較慢，隨著凸模的繼續(xù)下行，凹模底部倒角金屬填充完全后，坯料金屬開始均勻向上流動(dòng)形成筒壁。坯料金屬向筒體壁上部的流動(dòng)速度起初較快隨后逐漸趨于穩(wěn)定，最后坯料金屬會(huì)保持穩(wěn)定狀態(tài)下的流動(dòng)變形行為（圖5（d）），擠壓成形過程后期金屬流動(dòng)始終保持在較為穩(wěn)定的狀態(tài)，坯料金屬的流動(dòng)層次較為分明且各個(gè)區(qū)域內(nèi)金屬流動(dòng)過程較為均勻，金屬流動(dòng)過程中沒有出現(xiàn)金屬流線紊亂的現(xiàn)象，較好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)坯料金屬流動(dòng)成形過程的控制。

圖5 金屬流動(dòng)速度矢量圖（mm/s-1）

2.3 凸模受力過程分析

圖6 為盾構(gòu)撐靴擠壓成形過程中有限元計(jì)算分析的載荷隨位移變化的曲線圖[9-10]。金屬坯料變形的主要區(qū)域發(fā)生在坯料與凹模接觸的底部倒角部位、坯料與凸模直接接觸的部位。隨著凸模沿Y軸負(fù)方向向下運(yùn)動(dòng)，坯料金屬逐漸與凹模底部倒角接觸，與凹模底部倒角充分接觸后再沿凹模內(nèi)壁向Y軸正方向流動(dòng)，這其中大致經(jīng)歷了3 個(gè)階段：在坯料金屬剛開始變形時(shí)，隨著凸模的運(yùn)動(dòng)，凸模與金屬坯料直接接觸面積的不斷地增大，金屬坯料變形的區(qū)域也同樣慢慢變大，這樣就導(dǎo)致了凸模沿Y軸負(fù)方向（凸模向下運(yùn)動(dòng)的方向）受到的載荷也越來越大；其中當(dāng)金屬坯料與凹模底部倒角完全充分接觸后，金屬坯料的變形區(qū)域就會(huì)保持相對(duì)穩(wěn)定，凸模沿Y軸負(fù)方向受到的載荷增加較為緩慢，并且基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)；在金屬坯料變形的后期階段中，變形區(qū)域內(nèi)的金屬逐漸減少，單位擠壓摩擦力反而逐漸增大，致使凸模受到的載荷也相應(yīng)增大。

圖6 凸模載荷-行程曲線

3 工藝對(duì)比驗(yàn)證

根據(jù)以上的工藝改進(jìn)方案和有限元模擬結(jié)果，進(jìn)行了初步的擠壓試驗(yàn)驗(yàn)證工作。在工廠車間內(nèi)，采用20MN 水壓機(jī)進(jìn)行熱擠壓試驗(yàn)。擠壓后得到的零件，筒體壁厚42 mm，尺寸精度符合要求，經(jīng)過冷整形后零件表面未見裂紋，表面質(zhì)量良好。初步擠壓件與計(jì)算模擬的結(jié)果基本一致，表明擠壓工藝模擬的過程符合實(shí)際情況。與此同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)原焊接成型工藝中，焊縫位置有個(gè)別微小氣孔出現(xiàn)，對(duì)后期零件高強(qiáng)度高負(fù)載條件下長期服役，造成一定的安全隱患。工藝對(duì)比驗(yàn)證實(shí)物圖如圖7 所示，工藝改進(jìn)后撐靴形狀、尺寸、表面質(zhì)量和力學(xué)性能符合使用要求，和焊接成型工藝相比，能有效避免了焊接過程氣孔等缺陷，減少材料使用17.1%，并形成一定的金屬流線，說明了撐靴成形工藝改進(jìn)方向是合乎制造及使用要求的。

圖7 工藝樣件對(duì)比圖

4 結(jié)束語

盾體撐靴由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其服役過程要求高，傳統(tǒng)制造工藝的零件使用后易產(chǎn)生缺陷。通過對(duì)盾體撐靴零件圖的分析，建立盾體撐靴擠壓成形過程的三維仿真模型，并對(duì)其擠壓成形過程進(jìn)行有限元仿真分析計(jì)算，最終獲得了較為符合實(shí)際的金屬坯料流動(dòng)規(guī)律和零件塑性成形的結(jié)果，因此對(duì)盾體撐靴擠壓模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化、產(chǎn)品生產(chǎn)工藝擬定、擠壓成形設(shè)備的選用等提供了理論依據(jù)，初步實(shí)現(xiàn)了對(duì)該零件成形的工藝改進(jìn)及工藝驗(yàn)證，對(duì)提高盾構(gòu)機(jī)隧道施工安全性具有重要意義。