天燃氣壓縮機缸體鑄件工藝設(shè)計范文

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摘要：天然氣氣缸體鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁厚差異大，鑄造工藝性差，極易出現(xiàn)各種鑄造缺陷，鑄件成品率低，直接影響到天然氣壓縮機整機的裝配進程。本文通過分析氣缸體鑄件結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求，設(shè)計鑄造工藝，采用ProCAST仿真模擬軟件進行流場、溫度場計算及優(yōu)化，最終確定合理的工藝方案進行生產(chǎn)。經(jīng)實際生產(chǎn)驗證，氣缸體各項檢驗結(jié)果均符合技術(shù)要求，最終確定了氣缸體生產(chǎn)工藝。

關(guān)鍵詞：氣缸體；ProCAST；鑄造工藝設(shè)計

氣缸體是天然氣壓縮機的關(guān)鍵部件，具有氣道和水道相隔的雙層結(jié)構(gòu)，壁厚差異較大，抗?jié)B要求高，局部空間狹小，鑄造工藝性差，因此氣缸體鑄件鑄造過程中各種缺陷頻發(fā)，主要缺陷有壓力試驗滲漏（氣道水道相通，活塞孔和螺孔組織縮松）、縮孔、夾砂夾渣、尺寸超差等，鑄件成品率極低，氣缸體鑄件的質(zhì)量不僅大大影響了整機裝機進程，而且也額外增加了鑄件成本。

1氣缸體鑄件結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求

氣缸體鑄件輪廓尺寸1030mm×815mm×770mm，重量1330kg，最大壁厚95mm，最小壁厚35mm，兩側(cè)氣道兩兩分別貫通，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。材質(zhì)要求是合金鑄鐵，化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)，%）為：3.2～3.4C，1.6～1.8Si，Mn≤0.9，P≤0.065，S≤0.12，0.25～0.35Mo，0.06～0.10Sn。準(zhǔn)50mm單鑄試棒抗拉強度不小于280MPa，鑄件硬度要求為200～250HB，金相組織要求層狀珠光體，石墨形態(tài)為片狀并均勻分布，游離鐵素體不超過5%，金屬碳化物和磷共晶必須均勻分布，二者之和不超過5%。對氣道分別做水壓試驗，試驗壓力為4.6MPa，保壓30min，不得有滲漏現(xiàn)象。

2氣缸體鑄造工藝設(shè)計

2.1澆注方案設(shè)計

根據(jù)氣缸體外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并考慮現(xiàn)場操作的方便性以及鑄件外觀質(zhì)量，決定外形由外模直接做出，不用泥芯做出，所以采用Half分型，澆注系統(tǒng)采用U型澆注，內(nèi)澆道全部底注引入，氣缸體鑄造工藝簡圖見圖2。此分型方案存在如下問題：①中間主軸活塞孔芯是懸臂芯，有上浮偏心隱患；②兩側(cè)風(fēng)道芯必須以分型面為界分成上下兩芯，中間披縫超過1mm，因空間狹小，局部死角披縫無法清理。針對以上問題，可采取如下解決措施：①中間主軸活塞孔芯芯頭加長，并做卡槽固定，下芯時用樣板檢查控制高度。②風(fēng)道上下芯合箱拼芯時，必須平尺提前檢查處理拼芯面，保證拼芯面的平整度，減小披縫，上下芯拼好后用稠一點的涂料填縫以消除披縫，并烘烤、干燥。

2.2澆注系統(tǒng)設(shè)計

[1-2]（1）澆注時間：鑄件澆注重量約為1560kg，經(jīng)計算，澆注時間約為41s。（2）澆注系統(tǒng)計算：選擇澆注系統(tǒng)截面比∑A1:∑A2:∑A3＝1:1.3:0.8（∑A1為直澆道截面積，∑A2為橫澆道截面積，∑A3為內(nèi)澆口截面積）；引用均衡凝固技術(shù)大孔出流理論計算澆注系統(tǒng)內(nèi)澆口截面積，選取流量因數(shù)μ1=0.58，μ2=0.60，μ3=0.48，計算平均壓頭hp=46.3cm，∑A3=37.6cm2，即內(nèi)澆道采用圓柱形陶瓷澆道，直徑準(zhǔn)28mm，數(shù)量為6個。直澆道截面積∑A1為47cm2，采用圓柱形直澆道，直徑準(zhǔn)75mm。橫澆道截面積∑A2為30.5cm2，采用梯形截面橫澆道，46/54mm×60mm。

2.3熔煉工藝設(shè)計

[3-4]根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)、技術(shù)要求、材質(zhì)性能要求，參考化學(xué)成分要求以及以往經(jīng)驗，最終化學(xué)成分確定如表1所示。爐料配比按HT2（其中廢鋼55%，回爐鐵45%，增碳劑1.7%～1.8%）執(zhí)行，爐前孕育劑0.20%～0.25%，瞬時孕育劑0.10%～0.15%，澆注溫度1380～1420℃（考慮多箱澆注），型內(nèi)保溫時間≥32h。

3ProCAST仿真模擬驗證

使用ProCAST模擬凝固軟件，計算鑄件澆注凝固時的流動場，溫度場，根據(jù)計算結(jié)果，判斷夾渣、冷隔、縮孔縮松等缺陷能否滿足質(zhì)量要求。另外根據(jù)流動場計算結(jié)果，判斷澆注系統(tǒng)設(shè)計是否合理，是否有紊流，卷氣，卷渣現(xiàn)象；根據(jù)溫度場計算結(jié)果，確定冒口、冷鐵的布置、數(shù)量以及規(guī)格。

3.1流動場計算

流動場模擬計算結(jié)果如圖3、4所示，圖3為不同時刻鐵液流動速度，金屬液在型腔內(nèi)充型平穩(wěn)，未產(chǎn)生紊流。圖4為內(nèi)澆道鐵液流速，內(nèi)澆道鐵液流動速度為0.37m/s，流速<1m/s，鐵液流速正常。圖5為充型過程氧化夾渣情況，充型過程中型腔內(nèi)鐵液上升平穩(wěn)，充型結(jié)束后氧化夾渣集中在橫澆道末端，型腔內(nèi)鐵液沒有出現(xiàn)氧化夾渣缺陷，因此澆注系統(tǒng)設(shè)計合理。

3.2溫度場計算

3.2.1初始計算初始計算是指鑄件不采取任何工藝措施（如：冷鐵、補縮冒口等）模擬計算凝固全過程，找出鑄件本身熱節(jié)，以及最終缺陷發(fā)生位置，為后續(xù)采取工藝措施提供方向。初始計算結(jié)果如圖6、7所示，鑄件在不采取任何工藝措施的情況下，在澆注位置的最上方發(fā)生凹陷，同時熱節(jié)處有縮孔缺陷。

3.2.2工藝優(yōu)化及仿真計算根據(jù)初始計算結(jié)果，要保證鑄件外形輪廓完整和內(nèi)部材質(zhì)致密，工藝上必須采取相應(yīng)的措施。首先，表面凹陷和熱節(jié)處縮孔缺陷，是液態(tài)補縮不足，需增加冒口進行補縮，其次，因鑄件有超高壓實驗要求，防止加工螺孔出現(xiàn)縮松缺陷而泄壓滲漏，在加工螺孔位置放置冷鐵，確保材質(zhì)致密。根據(jù)模數(shù)法計算冒口尺寸，冒口體直徑為準(zhǔn)150mm，冒口頸尺寸為準(zhǔn)90mm，數(shù)量2個，冒口布置在中間主體外圓最高面，依長度放置2個，其中1個靠近熱節(jié)放置。冷鐵選用常規(guī)冷鐵放置，優(yōu)化后的工藝方案如圖8所示。按優(yōu)化后的工藝方案再次進行溫度場計算，其結(jié)果如圖9、10所示。從計算結(jié)果來看，鑄件基本實現(xiàn)順序凝固，最后的縮凹出現(xiàn)在冒口和直澆道內(nèi)，冒口尺寸選取合理，冒口頸完成補縮后及時凝固被截斷，根部無縮孔縮松缺陷，鑄件形狀輪廓完整。從流動場和最后優(yōu)化工藝方案的溫度場計算結(jié)果得知，氣缸體鑄件鑄造工藝方案設(shè)計合理，可以作為實際生產(chǎn)方案實施。

4生產(chǎn)驗證

按確定的工藝方案組織生產(chǎn)，從模具制作開始，造型、制芯、合箱、熔注等整個制造工序的過程參數(shù)完全按模擬凝固過程參數(shù)執(zhí)行，尤其是澆注系統(tǒng)配比、冒口的規(guī)格和布置、化學(xué)成分、澆注溫度等重要參數(shù)。同時，前期制定工藝方案所提出的兩點工藝缺陷需要在合箱操作時特別關(guān)注，如圖11、12所示，通過采取控制措施予以彌補。首件樣件澆注后，清理修磨結(jié)束，按鑄件檢驗流程檢驗，包括外觀質(zhì)量檢驗、全尺寸檢驗、材質(zhì)機械性能硬度檢測，確認合格后，交由客戶加工驗證，打壓滲漏試驗驗證，均全部合格。

5結(jié)論

（1）從ProCAST流動場和最后優(yōu)化工藝方案的溫度場計算結(jié)果得知，氣缸體鑄件鑄造工藝方案設(shè)計合理，能夠被金屬液流同步、平穩(wěn)地導(dǎo)入型腔，冒口尺寸選取合理，冒口頸完成補縮后及時凝固被截斷，根部無縮孔縮松缺陷，鑄件形狀輪廓完整。（2）按確定的工藝方案組織生產(chǎn)，產(chǎn)品外觀質(zhì)量、尺寸檢驗結(jié)果、機械性能及打壓滲漏試驗結(jié)果均符合技術(shù)要求。

參考文獻：

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作者：馬利強 李顯洲 王永鋒 鞏紅濤 單位：秦川機床工具集團股份公司鑄造廠