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天燃气压缩机缸体铸件工艺设计

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摘要:天然气气缸体铸件结构复杂,壁厚差异大,铸造工艺性差,极易出现各种铸造缺陷,铸件成品率低,直接影响到天然气压缩机整机的装配进程。本文通过分析气缸体铸件结构及技术要求,设计铸造工艺,采用ProCAST仿真模拟软件进行流场、温度场计算及优化,最终确定合理的工艺方案进行生产。经实际生产验证,气缸体各项检验结果均符合技术要求,最终确定了气缸体生产工艺。

关键词:气缸体;ProCAST;铸造工艺设计

气缸体是天然气压缩机的关键部件,具有气道和水道相隔的双层结构,壁厚差异较大,抗渗要求高,局部空间狭小,铸造工艺性差,因此气缸体铸件铸造过程中各种缺陷频发,主要缺陷有压力试验渗漏(气道水道相通,活塞孔和螺孔组织缩松)、缩孔、夹砂夹渣、尺寸超差等,铸件成品率极低,气缸体铸件的质量不仅大大影响了整机装机进程,而且也额外增加了铸件成本。

1气缸体铸件结构及技术要求

气缸体铸件轮廓尺寸1030mm×815mm×770mm,重量1330kg,最大壁厚95mm,最小壁厚35mm,两侧气道两两分别贯通,其结构如图1所示。材质要求是合金铸铁,化学成分(质量分数,%)为: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。准50mm单铸试棒抗拉强度不小于280MPa,铸件硬度要求为200~250HB,金相组织要求层状珠光体,石墨形态为片状并均匀分布,游离铁素体不超过5%,金属碳化物和磷共晶必须均匀分布,二者之和不超过5%。对气道分别做水压试验,试验压力为4.6MPa,保压30min,不得有渗漏现象。

2气缸体铸造工艺设计

2.1浇注方案设计

根据气缸体外形和内部结构,并考虑现场操作的方便性以及铸件外观质量,决定外形由外模直接做出,不用泥芯做出,所以采用Half分型,浇注系统采用U型浇注,内浇道全部底注引入,气缸体铸造工艺简图见图2。此分型方案存在如下问题:①中间主轴活塞孔芯是悬臂芯,有上浮偏心隐患;②两侧风道芯必须以分型面为界分成上下两芯,中间披缝超过1mm,因空间狭小,局部死角披缝无法清理。针对以上问题,可采取如下解决措施:①中间主轴活塞孔芯芯头加长,并做卡槽固定,下芯时用样板检查控制高度。②风道上下芯合箱拼芯时,必须平尺提前检查处理拼芯面,保证拼芯面的平整度,减小披缝,上下芯拼好后用稠一点的涂料填缝以消除披缝,并烘烤、干燥。

2.2浇注系统设计

[1-2](1)浇注时间:铸件浇注重量约为1560kg,经计算,浇注时间约为41s。(2)浇注系统计算:选择浇注系统截面比∑A1:∑A2:∑A3=1:1.3:0.8(∑A1为直浇道截面积,∑A2为横浇道截面积,∑A3为内浇口截面积);引用均衡凝固技术大孔出流理论计算浇注系统内浇口截面积,选取流量因数μ1=0.58,μ2=0.60,μ3=0.48,计算平均压头hp=46.3cm,∑A3=37.6cm2,即内浇道采用圆柱形陶瓷浇道,直径准28mm,数量为6个。直浇道截面积∑A1为47cm2,采用圆柱形直浇道,直径准75mm。横浇道截面积∑A2为30.5cm2,采用梯形截面横浇道,46/54mm×60mm。

2.3熔炼工艺设计

[3-4]根据铸件结构、技术要求、材质性能要求,参考化学成分要求以及以往经验,最终化学成分确定如表1所示。炉料配比按HT2(其中废钢55%,回炉铁45%,增碳剂1.7%~1.8%)执行,炉前孕育剂0.20%~0.25%,瞬时孕育剂0.10%~0.15%,浇注温度1380~1420℃(考虑多箱浇注),型内保温时间≥32h。

3ProCAST仿真模拟验证

使用ProCAST模拟凝固软件,计算铸件浇注凝固时的流动场,温度场,根据计算结果,判断夹渣、冷隔、缩孔缩松等缺陷能否满足质量要求。另外根据流动场计算结果,判断浇注系统设计是否合理,是否有紊流,卷气,卷渣现象;根据温度场计算结果,确定冒口、冷铁的布置、数量以及规格。

3.1流动场计算

流动场模拟计算结果如图3、4所示,图3为不同时刻铁液流动速度,金属液在型腔内充型平稳,未产生紊流。图4为内浇道铁液流速,内浇道铁液流动速度为0.37m/s,流速<1m/s,铁液流速正常。图5为充型过程氧化夹渣情况,充型过程中型腔内铁液上升平稳,充型结束后氧化夹渣集中在横浇道末端,型腔内铁液没有出现氧化夹渣缺陷,因此浇注系统设计合理。

3.2温度场计算

3.2.1初始计算初始计算是指铸件不采取任何工艺措施(如:冷铁、补缩冒口等)模拟计算凝固全过程,找出铸件本身热节,以及最终缺陷发生位置,为后续采取工艺措施提供方向。初始计算结果如图6、7所示,铸件在不采取任何工艺措施的情况下,在浇注位置的最上方发生凹陷,同时热节处有缩孔缺陷。

3.2.2工艺优化及仿真计算根据初始计算结果,要保证铸件外形轮廓完整和内部材质致密,工艺上必须采取相应的措施。首先,表面凹陷和热节处缩孔缺陷,是液态补缩不足,需增加冒口进行补缩,其次,因铸件有超高压实验要求,防止加工螺孔出现缩松缺陷而泄压渗漏,在加工螺孔位置放置冷铁,确保材质致密。根据模数法计算冒口尺寸,冒口体直径为准150mm,冒口颈尺寸为准90mm,数量2个,冒口布置在中间主体外圆最高面,依长度放置2个,其中1个靠近热节放置。冷铁选用常规冷铁放置,优化后的工艺方案如图8所示。按优化后的工艺方案再次进行温度场计算,其结果如图9、10所示。从计算结果来看,铸件基本实现顺序凝固,最后的缩凹出现在冒口和直浇道内,冒口尺寸选取合理,冒口颈完成补缩后及时凝固被截断,根部无缩孔缩松缺陷,铸件形状轮廓完整。从流动场和最后优化工艺方案的温度场计算结果得知,气缸体铸件铸造工艺方案设计合理,可以作为实际生产方案实施。

4生产验证

按确定的工艺方案组织生产,从模具制作开始,造型、制芯、合箱、熔注等整个制造工序的过程参数完全按模拟凝固过程参数执行,尤其是浇注系统配比、冒口的规格和布置、化学成分、浇注温度等重要参数。同时,前期制定工艺方案所提出的两点工艺缺陷需要在合箱操作时特别关注,如图11、12所示,通过采取控制措施予以弥补。首件样件浇注后,清理修磨结束,按铸件检验流程检验,包括外观质量检验、全尺寸检验、材质机械性能硬度检测,确认合格后,交由客户加工验证,打压渗漏试验验证,均全部合格。

5结论

(1)从ProCAST流动场和最后优化工艺方案的温度场计算结果得知,气缸体铸件铸造工艺方案设计合理,能够被金属液流同步、平稳地导入型腔,冒口尺寸选取合理,冒口颈完成补缩后及时凝固被截断,根部无缩孔缩松缺陷,铸件形状轮廓完整。(2)按确定的工艺方案组织生产,产品外观质量、尺寸检验结果、机械性能及打压渗漏试验结果均符合技术要求。

参考文献:

[1]魏兵,袁森,张卫华.铸件均衡凝固技术及其应用[M].北京:机械工业出版社,1998.

[2]中国机械工程学会铸造分会.铸造手册-铸造工艺[M].第2版.北京:机械工业出版社,2003.

[3]李传栻,李魁盛.铸造技术应用手册-第4卷铸造工艺及造型材料[M].北京:中国电力出版社,2012.

[4]柳百成,黄天佑.铸造成形手册上[M].北京:化学工业出版社,2009:6

作者:马利强 李显洲 王永锋 巩红涛 单位:秦川机床工具集团股份公司铸造厂

天燃气压缩机缸体铸件工艺设计责任编辑:张雨    阅读:人次
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