唐大超，范曉明，鄧國(guó)山

（1.十堰職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 十堰 442000；2.武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070）

天然氣壓縮機(jī)機(jī)體鑄件是壓縮機(jī)中體積最大且結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的零件，是整臺(tái)壓縮機(jī)的骨架，它支承壓縮機(jī)全部質(zhì)量并保證各零部件之間有正確的相對(duì)位置，同時(shí)用作潤(rùn)滑油箱用。其幾何形狀較復(fù)雜，加工面較多，抗?jié)B性要求較高。由于在機(jī)體內(nèi)外安裝著壓縮機(jī)主要零部件，在壓縮機(jī)工作時(shí)各種激勵(lì)力都以不同的方式作用在機(jī)體上，引起機(jī)體以及裝在機(jī)體上的各種零部件的復(fù)雜振動(dòng)[1-2]。因此，制備出合格的基體鑄件對(duì)保證天然氣壓縮機(jī)組的使用性能是十分重要的。本文利用三維造型軟件Pro/E繪制鑄件實(shí)體圖，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)狀況，借助華鑄CAE軟件進(jìn)行了基體鑄件的凝固模擬和澆注系統(tǒng)優(yōu)化，成功實(shí)施了基體鑄件的生產(chǎn)。

1 基體鑄件的技術(shù)要求及基本生產(chǎn)條件

圖1為機(jī)體鑄件的Pro/E三維實(shí)體造型結(jié)構(gòu)圖。該壓縮機(jī)機(jī)體是開啟式的，材質(zhì)要求為HT300，重量為168 kg，最大尺寸為518mm×440mm×465mm，最小壁厚為24mm。機(jī)體作為壓縮機(jī)組的重要組成部分，要求鑄件不允許存在裂紋等影響強(qiáng)度的缺陷，非加工表面應(yīng)光潔，不允許有澆鑄冒口、殘?jiān)?、凸瘤、結(jié)疤、粘砂等缺陷。

采用樹脂砂造型，一箱一件，選用砂箱尺寸為900mm×650mm×400mm，收縮率取1%。機(jī)體形狀復(fù)雜，壁厚變化不大，熱節(jié)部位多，在鑄造中容易出現(xiàn)縮松、粘砂和變形等鑄造缺陷。

圖1 基體Pro/E實(shí)體造型

2 鑄造工藝方案確定及凝固模擬分析

分型面選在最大截面處，將鑄件整體放在下箱，如圖2所示。

圖2 分型面的確定

機(jī)體澆注系統(tǒng)按封閉原則設(shè)計(jì)。根據(jù)資料[3]，求得機(jī)體鑄件的有效澆注時(shí)間t=28s；機(jī)體鑄件的最小阻斷斷面面積∑F阻=9.27 cm2。根據(jù)資料，取澆道比為F直:F橫：F內(nèi)=1.15∶1.1∶1。由此得 F直=10.66 cm2，F(xiàn)橫=10.2 cm2。直澆道、橫澆道和內(nèi)澆道的斷面形狀及尺寸如圖3所示。

圖3 澆道斷面形狀

基體鑄件的澆注位置選在鑄件的側(cè)面，澆注的入口位置首先選在鑄件側(cè)面底端，內(nèi)澆口設(shè)置兩道。

采用華鑄CAE/Intel Cast R9.0軟件系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)體鑄件的上述工藝的凝固模擬[4]。

1）前置處理

設(shè)置實(shí)體的屬性。鑄件和澆注系統(tǒng)包括冒口的三維造型設(shè)計(jì)在PRO/E里完成，砂芯不直接畫出。在PRO/E里面裝配好鑄件、澆注系統(tǒng)、冒口后導(dǎo)出的時(shí)候不應(yīng)以整體的文件導(dǎo)出，而是應(yīng)分別導(dǎo)出，導(dǎo)出的格式為STL。鑄件和澆注系統(tǒng)裝配圖如圖4所示。

倒入軟件中后，首先是STL文件預(yù)覽和旋轉(zhuǎn)，使得澆注系統(tǒng)鑄件位置位于正確的方位。然后設(shè)置各部分的屬性，見圖5。

將鑄件實(shí)體旋轉(zhuǎn)至澆口豎直朝上為止，然后對(duì)實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格剖分。網(wǎng)格劃分越小，計(jì)算的精度就越高，但網(wǎng)格劃分太小，計(jì)算的速度將非常慢，所以應(yīng)根據(jù)鑄件的大小選擇與之相應(yīng)的網(wǎng)格大小。

2）合金屬性的設(shè)置

合金成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）：3.3%C、1.7%Si、0.9%Mn、0.065%P和0.08%S。

合金物性參數(shù)：灰鑄鐵的密度為6.9g/cm3，黏度0.06 cm2/s，輻射系數(shù)0.375，潛熱 55cal/g，液相線1252℃，固相線1143℃，臨界固相率取0.7，凝固系數(shù) 1.1，相變收縮 0.001，液態(tài)收縮率2E-005。

圖4 裝配圖

圖5 STL屬性定義

鑄件的物性參數(shù)設(shè)置為密度6.9g/cm3，比熱容0.174867 J/（g·℃），導(dǎo)熱系數(shù)0.054801 J/（cm·s），初始溫度1380℃。

其他參數(shù)設(shè)置：為使模擬計(jì)算的結(jié)果更接近實(shí)際，啟用重力補(bǔ)縮功能，澆注時(shí)間大致設(shè)為28 s。按鑄件冷卻溫度為1143℃結(jié)束計(jì)算。這里鑄件冷卻溫度是指鑄件的最高溫度，1143℃是系統(tǒng)自行計(jì)算出來的默認(rèn)停止補(bǔ)縮溫度。

（3）后置處理

（1）.bmp存盤及.avi合成：這里主要保存凝固液相、鑄件色溫和定量縮孔3張圖片。批處理完成后，立即將所得bmp序列畫面合成avi動(dòng)畫。

（2）自動(dòng)生成報(bào)告：勾選鑄件色溫、凝固液相和定量縮孔的圖片插入到報(bào)告中，并選擇附加計(jì)算參數(shù)項(xiàng)。

凝固模擬的結(jié)果如圖6所示，可以看到縮孔主要集中在鑄件的頂部。

液相色溫如圖7所示。從最終色溫液相可以看出，機(jī)座底部的溫度最高，最后凝固。

3 工藝優(yōu)化及生產(chǎn)驗(yàn)證

從上述澆注方式的凝固模擬的結(jié)果可以看出，機(jī)座的邊緣一些地方仍存在縮孔縮松的現(xiàn)象，也就基本上可以肯定在那些位置早期會(huì)存在孤立液相區(qū)，在凝固的后階段因得不到補(bǔ)縮而形成收縮缺陷。由于灰鑄鐵有“自實(shí)作用”，沒有設(shè)計(jì)冒口。將澆注位置改為頂注式，內(nèi)澆道開設(shè)在最上端，鐵水在進(jìn)入型腔前先經(jīng)集渣包。這種澆注方式鐵水充型平穩(wěn)，自下而上逐漸充滿，有利于型內(nèi)排氣。但冒口內(nèi)的液體金屬溫度低，不利于補(bǔ)縮，鑄件的熱節(jié)處產(chǎn)生縮松。但在在頂部加上冷鐵之后，使頂部的金屬液快速冷卻，可以減少縮孔縮松。

圖6 定量縮孔模擬結(jié)果

圖7 液相色溫模擬結(jié)果

同樣的方法，模擬頂注式澆注方法，同時(shí)加上冷鐵，圖8為冷鐵澆注系統(tǒng)的相對(duì)位置。在機(jī)座最后凝固的底部加上冷鐵，澆注位置改為頂注式，裝配圖見圖9，模擬結(jié)果見圖10，鑄件縮孔，縮松均在冒口處。

圖8 冷鐵、澆注系統(tǒng)的相對(duì)位置

圖9 頂注式裝配圖

圖10 定量縮孔模擬結(jié)果

改為從頂部澆注后，縮孔基本消除，說明第二種工藝比較合理。

采用優(yōu)化的工藝進(jìn)行生產(chǎn)，得到了合格的鑄件，證實(shí)了工藝合理，適合實(shí)際生產(chǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

華鑄CAE凝固模擬分析結(jié)果表明，機(jī)體鑄件機(jī)座上容易出現(xiàn)縮孔縮松現(xiàn)象，加上冷鐵，將底注式改為頂注式，縮孔縮松基本消除。按優(yōu)化工藝制備的機(jī)體鑄件，鑄件質(zhì)量合格，達(dá)到技術(shù)要求。

［1］高其烈.國(guó)際 CNG 壓縮機(jī)技術(shù)的新進(jìn)展［J］.通用機(jī)械，2003（11）：34-35.

［2］潘祖琨.國(guó)產(chǎn)高水準(zhǔn)CNG壓縮機(jī)系列問世［J］.壓縮機(jī)技術(shù)，2001（05）:32-35.

［3］劉文川，藕光富，嚴(yán)濤.灰鑄鐵件澆冒系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的幾個(gè)技術(shù)問題［J］.機(jī)械，2001（28）：57-61.

［4］陳立亮，劉瑞祥，廖敦明，等.華鑄CAE/InteCast集成系統(tǒng)使用手冊(cè)［M］.第9版.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2006.