树杈型铸钢件节点
树型铸钢节点的研制
铸钢节点是集计算机辅助设计、辅助制造、辅助测量及先进铸造工艺相结合的高科技产品。本文主要从图纸设计、模型制作、铸造工艺及测量等方面论述了铸钢节点的研制过程。
铸钢节点消失模
铸钢节点：钢结构通常是由钢管等型材搭建而成钢管相交处称之为节点由铸钢件制 成的节点称之为铸钢节点。其特点是建筑整体造型美观强度高，经久耐用等，到目前为止，黄金树铸钢节点是世界上重量最大、杆数最多的铸钢节点:消失模：消失模是铸造中制作模型的方法之一。采用聚苯乙嫦珠粒为原材料.在模具中发制而成。具有成本、成型容易等特点。适用于单件小批量生产。
深圳文化中心黄金树钢结构中。铸钢节点由多根钢管以不同的空间角度汇聚于一点，具有形状夏杂，尺寸、重量大等特点,加工制作难度极大。而且两棵黄金树分别位于音乐厅及图书馆大厅人口处，是人们进入两座建筑的必经之路极具观赏性因此我们认为，黄金树铸钢节点既是一件精密的机械零件，又是一件艺术品北京市机电研究院铸造所在铸钢节点的设计、模型制造、铸造及质椅等过程中始终贯彻上述两个原则我们在节点431试 制过程中.认真执行相关国家及行业标准.严格控制每一生产过程，确保提供高品质的节点铸件。
黄金树铸钢节点的生产是集计算机辅助设计（CAD》、计算机辅助制造〈CAM）、计算机 辅助测量（CAM）及先进的铸造工艺和技术为一体的高科技产品。北京市机电研究院是一所 应用型研究院，其综合科技优势，是确保节点试制成功的关键。
深圳是中国改革开放的窗口.我们相信.深圳文化中心的建成，对我国建筑业的发展必 将起到积极的推动作用，縮短与发达国家在钢结构领域的差距。
2.图纸设计
深圳文化中心黄金树钢结构部分由两棵黄金树组成，两棵树呈镜面对称状态.每棵树由 不同杆数〔3?10根）、不同高度（14. 4—39. 3米）、不同直径（?>350和小450）的34个节点 组成，两棵树共有节点68个，且形状各异。
节点设计时，在满足铸造工艺要求的同时，必须充分考虑黄金树在安装施工过程中与节 点相关的每一环节。根据本项目技术要求及与钢结构安装公司充分讨论及协商后确定铸钢 节点基本设计原则如下：
1）杆件外壁最小间距为毫米。当铸钢节点杆件长度超过2米时，为减轻节点重量及减少 铸件变形.杆件外壁最小间距不小于150毫米。
2）为满足钢结构焊接要求.
3）铸件的铸造园角在不影响钢结构功能及外观效果的前 提下.为保证铸件的清理及外观效果可适当加大铸造园角。由于黄金树铸钢节点的轴线为空间任意方向因此,平面二维设计图不能完全描述三维实体.本项目设计中采用三维设计软件进行节点的三维实体设计。钢管-钢管一铸件
3.模型制作
模型的设计与制造是节点制作的关键步骤。铸造中常用的模型制作方法有丄木模型、婿 模型、金属型、消失模。其中蜡模型只适用于小件生产.金属型适用于批量生产.而木模型 在节点制作时无法起模且在空间定位困盛，只有消失模可用于本节点的模型制作。模型制作 步骤如下4
1）把设计的图纸数据通过三维设计软件转换成数控机床能够识别的数据格。
2在制作模型之前.需制作一模型骨架如图4所示，通过数控加工中心，在位于骨架中 心处的圆球上打孔定位如图5所示，孔深及孔径视节点具体情况而定.至此.可以把图纸之 数据精确的转换成实物模型，然后将经特珠处理的杆件紧配合插入孔内，这样即能保证杆件 的空间位置又能精确地测量出每根杆件的低度，确保黄金树钢结构整体焊接时.钢管的下料 长度。
3） 将预制好的、内置芯杆的聚苯圆柱皿350、更455套人骨架中，调整圆柱间相贯线. 添加铸造园角、修正模型表面.至此.模型制作完成-节点431模型如图6所示-
4）为获得良好的铸件,聚苯乙烯材料的选择是非常重要的。
考虑到聚苯乙烯材料的残留物、发气量及浇注时产生的烟雾对铸件质量的影响，经综合 考虑，材料的性能指标如下表所示=
牌 密 度
〈克/厘米 抗拉强度
（千帕） 抗弯强度 （千帕） 冲击韧性
〈千牛?厘米/厘米2） 冲击弹性
（气）
铸一2 0- 020 122 122 4- 63 28
4.铸造
铸造是获得良好节点制作的重要环节之一.根据节点结构的特殊性并结合消失模本身的 特点，制定合理的铸造工艺是铸件能否成功的关键因素?
L）涂料
涂料是为了增加型砂抵抗金属液的冲刷和浸蚀作用.防止铸件表面产生机械或化学粘砂 获得表面光浩的铸件，
本铸件釆用醇基涂料.这种涂料具有良好的透气性、强度高、千燥速度快等特点，涂料 层需＞2毫米。
1）根据节点本身结构特点?铸件浇注位置如图7所示。
2〉主冒口一个，置于最大热节处,每只杆件上需增加辅助冒口.以便于补缩及排气。
3）横浇道位于杆件下部.这样能使钢水自下而上充满型腔，有利于气体排出.
4）每支杆件有一支内浇道，可使钢水平稳充型
5-热处理
热处理是通过加热、保温和冷却的方法,来改变钢的内部组织结构，从而改善钢性能的 一种工艺.所以温度和时间是影啊热处理过程的主要因素:铸钢件的加热速度取决于钢的化 学成分、铸件的断面太小以及铸件的形状，一般合金钢铸件的加热速度比碳铜铸件要低些。铸 件断面越大,形状复杂、断面厚薄相差校大时.加热速度要缓慢些。保温时间取决于铸件的 壁厚或炉子的堆料情况。
黄金树节点铸钢件原牌号〈日本）SCW48O〈焊接結构用铸铜件JISG5EZ—87）,相当于 中国牌号ZG275-485H （焊接结构用铸钢件GB7659—87）,系迷钢类。由于碳钢的塑性差，淬 火易使铸件幵裂.故不能釆用淬火工艺对节点铸钢件进行热处理：而铸钢件正火后铸件内残 余应力比退火后要大。所以，采用完全退火工艺对黄金树节点铸钢件进行热处理.述到细化 组织、软化铸态组织、消除铸钢件内应力,最终使铸件各项性能指标满足项目要求.
铸件热处理时应注意以下几点：
Q）在加热过程中.当炉温升到650-700 C时，应缓慢升温、或在此温度下保温一段时 间"因为，在这个温度区间，碳钢发生相变，伴随肓体积变化，产生相变应力?如果快速升 温，容易使铸件薄壁部分与厚壁部分以及表面层和中心层之间产生温度差增大，从而使铸件 的热应力增大.并容易导致铸件开裂。
（2）为了使铸件内外温度一致，并且有足够的时间使组织完全转变，厚壁铸件的保温时 间要比薄壁铸件长一些。保温时间一般指铸件均热（即铸件内外温度或颜色达到一致）后，幵 始计算。保温时间的计算方法如下：
a.按同炉铸件最大壁厚计算?每25毫米保温L小时，适用于壁厚2U0毫米以内的铸件。
b.按同炉铸件最大壁厚计算.每50毫米保温L小时，但不小于2小时，适用于壁厚200 毫米以上的铸件，对于特厚大铸件.可采用每W0毫米件保温1小时，采用这种计算方法.保 温时间一般不包括均热时间在内。
c.按堆料髙度计算.一般碳钢铸件保温时间按1米高保温4小时计算。
d.保温时间定为5小时。
t3）铸件退火时.因其壁厚大、残留应力大、故要求炉内缓冷.
基于上述理由.采取如下热处理工艺制度.如图8所示。
6.后处理
铸件的后处理是节点生产的最后一道工序.主要内容有：打箱、折除芯骨、抛丸、割去 浇冒口、打磨、表面涂装等，工作量极大.是形成铸件外观的关键工序。由于节点铸件形状 复杂、表面要求高.因此?清理工作量是普通器件的一倍，铸件打磨完毕后，经长时间抛丸 处理使铸件形成均匀一致的外观效果。最后，除铸件与钢管焊接部位外.铸件需作防锈处理?
7.质量控制
质量控制是保证生产合格铸件的基本保证，在黄金树节点制作过程中.主要的质控方法 如下：
1＞化学成份分析
根据JIS标准SCW480化学成份如下：
C Si Mn p s Cr Ni CE
SCW480 0. 22 W0. 80 WL 5 <0. 04 WO. 04 WO. 50 即50 MO. 45
方为了确保化学成份控制在标准之内，浇注之前.必须对钢水成份进行炉前快速分析。如 成份合格即可浇注，否则须调整钢水成份.待成份合格后方可浇注.
b＞铸件冷却凝固后.在铸件本体上取样?再进行一次化学分析，此样做为最终化学成份 结果。
2）机械性能试验
根据JIS标准SCW480机械性能标准如下：
j (Mpa) (MpaJ Akv
SCW480 480 276 20 27
铸件浇注时用同炉铜水.浇注试样经机械加工后，制成标准试样.对其进行机械性能试 验。
3） 铸件探伤
镣件出厂前.需对铸件表面进行磁粉採伤.其基本原理如下：
工件经磁化后.在表面和近表面的缺陷处磁力线卷生变形，益出工件表面形成磁极并形 成可检测的漏磁场，此时，在工件上撒上磁粉或磁悬液,磁粉粒子便会吸附在缺陷区域，显 示出缺陷位置、形状和大小。磁粉探伤应在铸件进行热处理后进行.目的使铸件内部应力充 分释放，使检査结果真实可靠?
4） 三坐标测量：
节点在从图纸向模型和铸件转换过程中，每一个步骤都可能产误差+造成几何形状发生 变化。三坐标测量是用于检查模型和铸件空间位置以及为钢结构安装制定基准的必不可少的 工序之一。
三坐标测量原理I
利用三坐标机内预置的园柱测量程序.在园柱表面某几个断面取数点进行点測（如图9所
示）.经运算得到一个园柱轴线的空间位置坐标,重K 上述过程?即可测量出某一节点所有杆件的空间位 置.把这些数据与图纸数据相比较.便可得到模型和 铸件与图纸间的误差.
测量的另一重要目的是为黄金树钢结构安装确 定基准，钢结构设计是以节点中心坐标为设计依据 的.但实际安装时.节点中心是无法测量的.这样要 求在节点与锅管焊接位置附近节点铸件…侧.毎出某 一点的绝对坐标，为铜结构整体安装确定基准。
结论：
L目前在发达国家，建筑钢结构中逐步采用铸钢 节点代替球节点。釆用铸钢节点可以便建筑更加美 观.强度更高.刚度更好：我所成功地研发、制造的 铸钢节点?是目前为止重量最大（8吨）、杆件最多L1。根）、稚度最大的铸钢节点.填补了 国内在这一领域的空白。这一制造技术已达到国际先进水’
2.随着我国改革开放步伐进一步加快.特别是申奥的成功.铸钢节点应用于建筑钢结构 工程中?特别是在体育场馆、展览馆等城市标志性建筑中大量应用.它可以使建筑风格随建 筑师的想象千变万化.为城市建设增加亮点。
3.为保证铸钢节点质量,在研发、制造中必须确保各环节的稳定、可靠.必湄建立起一 套完整的质量保证体系，确保铸钢节点在匣用过程中万无一失，
4.建用国产铸铜节点代替进口产品可节约资金50"-.：.以上.可为国家节约大量外汇及宝贵 的时间，初步估计?仅奥运场馆需要铸钢节点铸件在100HO吨以上.采用国产铸钢节点可节 约资金20000 Jf元以上=另外?国内其它体育场馆、展览馆也正在没计、实施中,市场前景 非常广阔。
树杈型铸钢件节点