張 偉 鄭峰峰 韓桂強(qiáng) 張?jiān)龀?王 磊 韓 明

（1.山東豪邁機(jī)械科技股份有限公司，高密 261500；2.山東省輪胎模具關(guān)鍵技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，高密 261500）

離心式壓縮機(jī)屬于高科技機(jī)械裝備，在化工、石油精煉、航空航天以及采礦等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。作為離心式壓縮機(jī)的核心部件，葉輪的工作環(huán)境和受載狀況十分復(fù)雜，工作轉(zhuǎn)速高，自身腔體曲面不規(guī)則、厚度差異大，需要嚴(yán)格控制鑄造質(zhì)量。離心式壓縮機(jī)葉輪包括開(kāi)式和閉式兩大類。與開(kāi)式葉輪相比，閉式葉輪由于沒(méi)有潛流損失具有較高的效率，但其通常為不規(guī)則曲面，且曲面的翹曲度大、壁厚小，加工時(shí)極易出現(xiàn)縮松、熱裂等表面缺陷。因此，閉式葉輪對(duì)于尺寸精度、形狀公差及表面粗糙度等的質(zhì)量要求高，鑄造工藝繁雜，制造難度大。這些客觀因素一定程度上制約了閉式葉輪的應(yīng)用，影響了相關(guān)設(shè)備的工作效率和進(jìn)一步的發(fā)展[1]。

1 葉輪簡(jiǎn)介

組裝應(yīng)用在離心式壓縮機(jī)中的葉輪，可根據(jù)部件及組件的數(shù)量劃分為兩大件葉輪、整體式葉輪以及三大件葉輪3種形式[2]。大型薄壁鋁合金整體閉式葉輪的鑄造及加工難度較大，材料一般為ZL101/ZL114A等，對(duì)熱處理后的力學(xué)性能要求較高，一般應(yīng)用于高速且惡劣的環(huán)境。成組使用的壓縮機(jī)除對(duì)各級(jí)葉輪的靜、動(dòng)平衡參數(shù)要求嚴(yán)格外，現(xiàn)場(chǎng)使用條件也對(duì)其質(zhì)量要求十分苛刻，需要根據(jù)使用條件嚴(yán)格控制鑄造等缺陷，避免影響整機(jī)性能[3-4]。

2 水冷金屬模結(jié)構(gòu)

葉輪鑄造缺陷如卷氣、夾雜、縮孔、縮松、冷隔及熱裂等是影響葉輪壽命的主要因素[5-6]。這些缺陷的形成都與液態(tài)金屬的充型和凝固過(guò)程有關(guān)[7]。

為了減小葉輪局部熱節(jié)位置的縮松等鑄造缺陷，使鑄件形成由外至內(nèi)、由上至下的冷卻梯度，設(shè)計(jì)制作了大型鋁合金葉輪水冷模具。水的冷卻強(qiáng)度是壓縮空氣的幾十倍，且水介質(zhì)通道的設(shè)計(jì)既能提高冷卻過(guò)程的安全性，又可以減小噪聲。因此，可通過(guò)局部水冷裝置加快特定位置的凝固速率。設(shè)計(jì)的水冷金屬模結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。

圖1 水槽

圖2 水槽連接示意圖

水冷金屬模的平面部分設(shè)置有環(huán)形水冷管路，內(nèi)孔部分設(shè)置中心冷卻體。冷卻水由環(huán)形水冷管路最外圈的進(jìn)水口流入，沿著模具中的環(huán)槽由外向內(nèi)到達(dá)中心冷卻體。中心冷卻體處設(shè)有4個(gè)出水噴嘴，可將冷卻水以分散的水霧狀噴出。水冷金屬模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得冷卻水與模具的接觸面積更大，作用面更加均勻。

冷卻水由水冷管路的最外圈進(jìn)入流向內(nèi)圈，在葉輪平面部分形成了由外向內(nèi)的冷卻梯度。中心冷卻體的冷卻水從分流錐冷卻孔的上部沿內(nèi)壁向下流，使分流錐上部比下部冷卻得快，在葉輪中心部分形成了由上至下的冷卻梯度，由此實(shí)現(xiàn)了鑄件由外至內(nèi)、由上至下的冷卻梯度的設(shè)計(jì)。

3 水冷參數(shù)的選擇

3.1 冷卻水道加工原則

根據(jù)鑄件出現(xiàn)缺陷的位置和缺陷的嚴(yán)重程度，確定合適的水道直徑和水道數(shù)量。通常，冷卻水孔中心線與成品表面的距離為冷卻直徑的1～2倍，冷卻水路中心線間的距離為水路直徑的3～5倍，冷卻水路至成品表面的距離應(yīng)盡可能相等。基于上述原則對(duì)水冷金屬模水路直徑和水路數(shù)量進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)管道的設(shè)計(jì)不再采用埋管方式，而是直接在金屬模上開(kāi)設(shè)水槽，以提高冷卻速率。

以水冷金屬模中心為基準(zhǔn)，所選鑄件的缺陷位于Φ400 mm處，設(shè)計(jì)水道位置小于等于Φ400 mm，水路直徑根據(jù)鑄件壁厚和金屬模壁厚設(shè)計(jì)為Φ8 mm，水路間距為25 mm，共開(kāi)設(shè)9道水路，水路與鑄件表面距離為15 mm，如圖2所示。

3.2 確定總水量和開(kāi)水時(shí)機(jī)

為確定最佳的通水量和開(kāi)水時(shí)機(jī)，進(jìn)行了多次工藝試驗(yàn)，以驗(yàn)證水冷對(duì)縮松缺陷的改善效果。初次試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

根據(jù)初次試驗(yàn)水流量和開(kāi)水時(shí)機(jī)對(duì)鑄件缺陷的影響進(jìn)行了第二次試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 初次試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果

表2 第二次試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果

大型薄壁鋁合金閉式葉輪的結(jié)構(gòu)不規(guī)則，葉片厚薄差異大，因此對(duì)其進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的質(zhì)量要求極高。為了滿足探傷要求，減小局部位置的縮松缺陷，以第二次試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，綜合考慮生產(chǎn)安全性、通水時(shí)間、生產(chǎn)節(jié)拍和成本等因素，確定總水量為0.2 m3·h-1，充型到頂200 s后開(kāi)水，通水800 s后關(guān)水。

4 葉輪探傷檢測(cè)

熒光與射線探傷檢測(cè)是葉輪常用的檢測(cè)手段。熒光滲透檢測(cè)操作快速、簡(jiǎn)便，一次即可檢出各方向的缺陷，具有較高的檢測(cè)靈敏度，可清晰顯示長(zhǎng)約1 mm、寬0.5 μm、深10 μm的表面裂紋，尤其適用于檢測(cè)各種非多孔性材料表面的開(kāi)口缺陷，如裂紋、氣孔、冷隔和疏松等[8-12]。射線檢測(cè)能夠準(zhǔn)確檢出工件內(nèi)部缺陷大小及形態(tài)，原理是射線在穿透物體過(guò)程中會(huì)與物質(zhì)發(fā)生相互作用，因吸收和散射而使其強(qiáng)度衰減。射線穿透物體透照在膠片上，膠片感光，經(jīng)過(guò)暗室處理后得到底片，借助觀燈片依據(jù)膠片上對(duì)比度不同構(gòu)成的影響評(píng)價(jià)鑄件質(zhì)量。射線檢測(cè)可直接得到缺陷的直觀圖像，通過(guò)觀察底片能夠比較準(zhǔn)確地判斷缺陷的性質(zhì)、數(shù)量、尺寸和位置，且圖像可長(zhǎng)期保存[13]。

4.1 風(fēng)冷鑄造探傷檢測(cè)

對(duì)采用傳統(tǒng)風(fēng)冷工藝生產(chǎn)的葉輪進(jìn)行探傷檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)蓋板與葉片相連接的R弧處有長(zhǎng)短、深淺不一的線性缺陷，且蓋板處存在縮松缺陷。葉輪局部位置切片如圖3所示。通過(guò)金相檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，最深的缺陷接近290 μm，如圖4所示。

圖3 改善前的局部位置切片圖

圖4 金相分析

上述缺陷存在極大的安全隱患，鑄造后的產(chǎn)品均需根據(jù)熒光顯示進(jìn)行修整，加工效率低，增加了生產(chǎn)成本。

4.2 水冷鑄造探傷檢測(cè)

采用水冷冷卻方式后，鑄件質(zhì)量得到提升，改善后的效果如圖5、圖6和圖7所示?？梢钥闯觯~輪表面基本無(wú)鑄造缺陷，鑄件質(zhì)量較高。

根據(jù)試驗(yàn)分析可得，采用局部水冷工藝能夠解決加工葉輪時(shí)易在局部位置產(chǎn)生縮松、熱裂等缺陷的問(wèn)題，明顯提升了鑄件整體質(zhì)量和成品率，同時(shí)可以加快局部冷卻速率，進(jìn)一步縮短了保溫時(shí)間，有效提高了生產(chǎn)效率。

圖5 改善后質(zhì)量

圖6 滲透探傷

圖7 射線探傷

5 結(jié)論

（1）改進(jìn)大型薄壁鋁合金閉式葉輪的低壓鑄造工藝，采用水冷替代傳統(tǒng)的風(fēng)冷冷卻工藝，設(shè)計(jì)了局部水冷裝置。通過(guò)設(shè)置的環(huán)形水槽和中心冷卻體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了鑄件由外至內(nèi)、由上至下的冷卻梯度的設(shè)計(jì)。

（2）根據(jù)鑄件出現(xiàn)缺陷的位置和缺陷的嚴(yán)重程度，確定了合適的水道直徑和水道數(shù)量。以水冷金屬模結(jié)構(gòu)中心為基準(zhǔn)，確定水道位置小于等于Φ400 mm，水路直徑根據(jù)鑄件壁厚和金屬模壁厚設(shè)計(jì)為Φ8 mm，水路間距為25 mm，共開(kāi)設(shè)9道水路，水路與鑄件表面距離為15 mm。

（3）通過(guò)多次試驗(yàn)確定了最佳的通水量和開(kāi)水時(shí)機(jī)，并對(duì)加工完成的鑄件進(jìn)行了探傷檢測(cè)。探傷結(jié)果表明，改用水冷工藝后生產(chǎn)的葉輪，蓋板局部位置的縮松及蓋板與葉片連接R弧處的線性缺陷不復(fù)存在，表面質(zhì)量較高，證明采用水冷鑄造工藝能夠解決鑄件表面存在的缺陷問(wèn)題，獲得質(zhì)量較高的鑄件成品，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。