李隆基

（開封空分集團(tuán)有限公司，河南　開封　475000）

往復(fù)式壓縮機(jī)用氣缸體工藝設(shè)計(jì)與生產(chǎn)實(shí)踐

李隆基

（開封空分集團(tuán)有限公司，河南開封475000）

通過對(duì)氣缸體鑄件的結(jié)構(gòu)分析，針對(duì)其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、熱節(jié)點(diǎn)多、造型操作復(fù)雜等問題，確定氣缸體的鑄造工藝、熔煉工藝，探索氣缸體類鑄件球墨鑄鐵化的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。

往復(fù)式壓縮機(jī)；氣缸體；鑄造工藝；熔煉工藝

往復(fù)式壓縮機(jī)主要用于化工、空分設(shè)備的氧氣、氮?dú)?、天然氣等氣體的壓縮。而氣缸體是往復(fù)式壓縮機(jī)的主要工作腔，想提高往復(fù)式壓縮機(jī)工作壓力，必須提升氣缸體的性能。但傳統(tǒng)的灰鑄鐵氣缸體，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，灰鑄鐵在流動(dòng)性等方面的制約，性能提升有限，在此以球墨鑄鐵代替?zhèn)鹘y(tǒng)的灰鑄鐵則可以繼續(xù)提升往復(fù)式壓縮機(jī)的工作壓力。

根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)工藝性及技術(shù)要求，對(duì)灰鑄鐵氣缸體的工藝加以改進(jìn)，通過鑄造工藝參數(shù)的選取，熔煉工藝參數(shù)的確定等，對(duì)氣缸體的鑄造工藝、熔煉工藝進(jìn)行了探索性研究和針對(duì)性實(shí)踐，取得了良好的效果，為氣缸體類鑄件球墨鑄鐵化積累了大量經(jīng)驗(yàn)。

1　技術(shù)條件及結(jié)構(gòu)工藝性

1.1主要技術(shù)要求

氣缸體鑄件牌號(hào)要求QT450-10；外形輪廓尺寸為1 743mm×1 460mm×1 180mm，結(jié)構(gòu)左右基本對(duì)稱，毛坯重5 000kg；主要工作面缸徑摩擦面不得有任何鑄造缺陷，壁厚25～60mm；工作面要求硬度160-210HB；鑄件按照J(rèn)B/ T 9104-2013容積式壓縮機(jī)用球墨鑄鐵件技術(shù)條件進(jìn)行驗(yàn)收。

1.2鑄造工藝性分析

氣缸體有以下特點(diǎn)：一是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)腔不規(guī)整，腔體較多，砂芯較多，造型時(shí)以組芯造型為主；二是水道腔體與外界只有12個(gè)100～150mm的出砂孔相連，可以用作砂芯固定的孔只有6個(gè)，且在兩側(cè)，不足以承擔(dān)整個(gè)水道芯的重量，水道腔砂芯最小壁厚30mm，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜；三是產(chǎn)品工作壓力高，對(duì)整個(gè)鑄件的密封性要求高，試壓壓力符合設(shè)計(jì)要求；四是鑄件主要工作面缸徑摩擦面不得有任何鑄造缺陷。這4個(gè)特點(diǎn)給鑄造工藝設(shè)計(jì)與生產(chǎn)組織帶來了以下4個(gè)方面的難題。一是內(nèi)腔死角及內(nèi)壁相近的部分經(jīng)常粘砂。水道芯工藝孔少，部分地方較薄，清理難，甚至有的地方工具無法到達(dá)，造成水道不通，零件工作時(shí)熱量不能及時(shí)排出。二是水道芯開裂、變形、壁厚不均。水道芯一側(cè)重一側(cè)輕，起吊、組芯時(shí)容易從中間薄弱處開裂，芯骨強(qiáng)度不足，造成變形、壁厚不均等，會(huì)造成報(bào)廢。三是鑄件易出現(xiàn)鑄造缺陷。水道、氣道等連接處，后座、各類孔洞接口處因加螺紋孔而增加的凸臺(tái)等處容易出現(xiàn)縮孔，鑄件上表面易出現(xiàn)夾渣，排氣不暢引起的氣孔缺陷等。四是鑄態(tài)條件下必須滿足設(shè)計(jì)要求的機(jī)械性能和工作面的硬度要求。受公司生產(chǎn)條件制約，無法進(jìn)行正火處理，因此必須在鑄態(tài)條件下達(dá)到設(shè)計(jì)要求的性能要求。

這些都是氣缸體鑄件生產(chǎn)難點(diǎn)所在，必須在工藝設(shè)計(jì)時(shí)先予以考慮，在鑄件生產(chǎn)過程中加強(qiáng)控制。

2　鑄造工藝方案的確定

2.1澆注位置及分型面的確定

澆注位置是鑄造工藝設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，關(guān)系到鑄件內(nèi)在質(zhì)量及尺寸精度。在綜合分析了氣缸體鑄件的左右基本對(duì)稱結(jié)構(gòu)，灰鑄鐵氣缸體生產(chǎn)實(shí)際情況，選取平做立澆的工藝方案。

2.2工藝參數(shù)的確定

2.2.1鑄造收縮率與反變形量。鑄件的鑄造收縮率包括自由收縮和受阻收縮，其與鑄造合金的種類、鑄件結(jié)構(gòu)、澆冒口系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、鑄型種類等因素有關(guān)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型鑄件，其立體三維方向的線收縮率各不相同。氣缸體鑄件因其外部較為規(guī)整的特性，總體收縮率選為0.8%。鑄件內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且水道芯、氣道芯通過工藝孔固定在砂型上，在實(shí)際生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)氣道砂芯固定、水道芯骨等嚴(yán)重阻礙收縮，造成8個(gè)氣閥孔平面中間較四周高3～4mm，即中間和四周收縮率相差0.5%左右。因此，在此平面內(nèi)外增加工藝補(bǔ)正量用來彌補(bǔ)加工量不足的情況。

2.2.2分型負(fù)數(shù)。根據(jù)砂箱、模型和灰鑄鐵氣缸體的生產(chǎn)實(shí)際，分型負(fù)數(shù)選定為3mm。

2.3砂芯設(shè)計(jì)

2.3.1水道芯的定位及固定。氣缸體水道芯因分型面的確定分為左右兩個(gè)，基本對(duì)稱，在長(zhǎng)度方向上兩側(cè)出砂孔定位及固定，造型時(shí)需要隨形專用芯骨，芯骨隨砂芯從兩側(cè)出砂孔伸出，用專用工裝穿過砂型固定在砂箱外側(cè)，防止砂芯漂移。

2.3.2氣道芯的固定。氣道芯由圖1中左前側(cè)氣孔及右前側(cè)8個(gè)閥門孔定位，用專用工裝通過閥門孔與氣孔固定在砂箱外側(cè)。

2.3.3排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)。氣缸體的排氣系統(tǒng)在腔內(nèi)根據(jù)腔體的結(jié)構(gòu)形成5個(gè)排氣回路。水道芯因工藝孔較小且數(shù)量較少，采用專用氣繩固定在隨形芯骨上，隨同專用工裝通到砂箱外。氣道芯連接缸徑芯有8個(gè)類似牛角的小芯，這8個(gè)單獨(dú)的小芯通過氣繩與氣道芯相連。

2.3.4粘砂的解決。水道芯最薄的部分厚度只有30mm，且內(nèi)部砂芯結(jié)構(gòu)復(fù)雜，圓角或過渡部分較多，在刷涂料時(shí)先在易過熱、粘砂的地方刷一層鋯英粉涂料，之后再涂一層魚鱗片石墨涂料可基本解決粘砂問題。

2.4澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

分析鑄件結(jié)構(gòu)、分型面、澆注系統(tǒng)的選擇及重要工作面，選取半封閉式底注澆注系統(tǒng)，設(shè)φ80mm直澆道，澆注系統(tǒng)截面積比例關(guān)系按照∑Ag∶∑Acu∶∑As=1.0∶2.0∶1.3選取。氣缸體主要工作面為缸徑面，要求缸徑鏡面性能均勻，不得出現(xiàn)鑄造缺陷。因此，在設(shè)計(jì)內(nèi)澆道時(shí)，采用類似于底雨淋式的內(nèi)澆口設(shè)置方案，此方案可以讓充型平穩(wěn)，熔渣不易粘附在缸徑側(cè)壁上，可有效防止夾渣、氣孔等鑄造缺陷。

2.5補(bǔ)縮系統(tǒng)及激冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

氣缸體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，腔體較多，壁厚集中在25～40mm，因腔內(nèi)相交致使熱節(jié)點(diǎn)較多。考慮采用頂明冒口與冷鐵相結(jié)合的方式，盡力使其同時(shí)凝固，解決鑄件的縮孔、縮松問題。同時(shí)，將氣缸體鑄件最厚的平面放置在上方，予以冒口補(bǔ)縮。氣缸體與機(jī)身體相連接處厚度達(dá)60mm、寬度100mm的環(huán)狀1 500mm×1 100mm的法蘭面。根據(jù)熱節(jié)大小，選取DR=φ120mm的頂明冒口8個(gè)。壁厚相交處、各類孔洞凸臺(tái)放置外冷鐵，增強(qiáng)補(bǔ)縮效果。

2.6熔煉工藝參數(shù)的確定

2.6.1化學(xué)成分的選定。選擇適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)成分是保證鑄件獲得良好的組織狀態(tài)和高性能的基本條件，化學(xué)成分的選擇既要有利于石墨的球化和獲得滿意的基體，以期獲得所要求的性能，又要逐漸有較好的鑄造性能［1］。氣缸體鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁厚較厚，為減少夾渣、石墨漂浮等鑄造缺陷，又要保證足夠的流動(dòng)性，不使其形成縮松與裂紋，同時(shí)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，選取碳當(dāng)量為4.3%左右較為適宜。QT450-10為鐵素體球墨鑄鐵，根據(jù)硅在球墨鑄鐵中細(xì)化晶粒的作用，控制碳硅含量為碳3.2%～3.6%、硅2.2%～2.4%。因受生產(chǎn)條件制約，需在鑄態(tài)條件下達(dá)到技術(shù)要求的機(jī)械性能，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)對(duì)比，在爐前加入銅來提升抗拉強(qiáng)度及硬度，加入量為0.2%時(shí)，完全可以得到合格鑄件。

2.6.2孕育處理。鑄件要求機(jī)械性能穩(wěn)定，組織致密，為獲得合格鑄件，在澆注前對(duì)鐵水進(jìn)行多次孕育。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，出爐時(shí)隨流孕育加澆注時(shí)浮硅孕育效果最佳，得到的球化率可達(dá)到2～3級(jí)，石墨顆粒最小。適宜的化學(xué)成分及良好的孕育效果，生產(chǎn)出來的鑄件抗拉強(qiáng)度穩(wěn)定在500MPa以上，延伸率12%以上，缸徑表面硬度穩(wěn)定在180HB左右，完全符合機(jī)械性能要求。

3　結(jié)語

往復(fù)式壓縮機(jī)用球墨鑄鐵氣缸體鑄件在澆注時(shí)鐵液平穩(wěn)，無嗆火現(xiàn)象。經(jīng)生產(chǎn)加工驗(yàn)證，鑄件組織致密，重要工作面無任何鑄造缺陷。產(chǎn)品幾何形狀尺寸、外觀表面質(zhì)量等符合JB/T 9104-2013容積式壓縮機(jī)用球墨鑄鐵件技術(shù)條件。通過該鑄件的成功生產(chǎn)，探索出氣缸體類鑄件球墨鑄鐵化的工藝參數(shù)及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為以后其他型號(hào)的氣缸體生產(chǎn)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

［1］陸文華.鑄造合金極其熔煉［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

Process Design and Production Practice of Cylinder Block for Reciprocating Compressor

Li Longji
（Kaifeng Air Separation Group Co.Ltd.，Kaifeng Henan 475000）

Through the structure of cylinder block casting analysis，in view of the complex structure，the hot node，the complex shape operation and so on，the casting process and the smelting process of the cylinder block were determined，to explore the cylinder body casting of nodular cast iron production experience.

reciprocating compressor；cylinder block；casting process；smelting process

TH45

A

1003-5168（2016）07-0065-02

2016-06-13

李隆基（1988-），男，本科，助理工程師，研究方向：鑄造工藝設(shè)計(jì)與鑄鐵熔煉工藝制定。