天然气压缩机机体铸件的凝固模拟及工艺优化.pdf

2 0 1 1 年第 6期 2 0 1 1年1 2月 铸造设备与工艺 F OUNDR Y EO UI P MEN T AND T E CHN0L OG Y De c ． 2 0 1 1 N o 6 铸造工艺 天然气压缩机机体铸件的凝 固模拟及工艺优化 唐大超 ， 范晓明 。 ， 邓国山 1 ． 十堰职业技术学院， 湖北 十堰4 4 2 0 0 0 ； 2 ． 武汉理工大学， 湖北 武汉4 3 0 0 7 0 摘 要 机体铸件是天然气压缩机组的关键部件之一。文章根据基体铸件的技术要求， 结合铸造厂的实际 生产条件 ， 讨论了基体铸件的铸造工艺方案和浇注系统， 并使用华铸 C A E ／ I n t e C A S T进行了凝固模拟分析和工 艺优化 。 所得结果适用于 实际生产。 关键词 天然气压缩机机 体 ； 凝 固模拟 ； 优化 中图分 类号 T G 2 4 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 4 6 6 9 4 2 0 1 1 0 6 0 0 1 7 0 3 So l i d i fic a t i o n S i mu l a t i o n a n d Pr o c e s s Opt i mi z a t i o n o f Na t ur a l Ga s Co mpr e s s o r Bo d y Ca s t i ng T ANG Da-c h ao ， FAN Xi ao mi ng ， DENG Gu o- s han 1 ． S h i Y a n T e c h n i c a l I n s t i t u t e ， S h i y a n H u b e i 4 4 2 0 0 0， C h i n a ； 2 ． Wu h a n U n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y ， Wu h a n Hu b e i 4 3 0 0 7 0 ， C h i na Ab s t r a c t Na t u r a l g a s c o mp r e s s o r b o d y c a s t i n g i s o n e o f t h e k e y c o mp o n e n t s ． B a s e d o n t h e t e c h n i c al r e q u i r e me n t s o f t h e b o d y c a s t i n g ， c o mb i n e d w i t h t h e a c t u a l f o u n d r y p r o d u c t i o n c o n d i t i o n s ， t h e c a s t i n g p r o c e s s a n d g a t i n g s y s t e m h a v e b e e n d i s c u s s e d ．T h e c a s t i n g s o l i d i f i c a t i o n s i mu l a t i o n a n aly s i s a n d p r o c e s s o p t i mi z a t i o n w e r e a l s o c a r r i e d o u t b y u s i n g Hu a z h u C AE ／ I n t e C AS T s o f t w a r e ． T h e r e s u l t s a r e s u i t a b l e f o r a c t u al p r o d u c t i o n ． Ke y wo r d s n a t u r al g a s c o mp r e s s o r b o d y ， s o l i d i fi c a t i o n s i mu l a t i o n ， p r o c e s s o p t i mi z a t i o n 天然气压缩机机体铸件是压缩机中体积最大 且结构较复杂 的零件 ， 是整 台压缩机 的骨架 ， 它支 承压缩机全部质量并保证各零部件之间有正确的 相对位置 ， 同时用作润滑油箱用 。其几何形状较复 杂 ， 加工面较多 ， 抗渗性要求较高 。由于在机体内外 安装着压缩机主要零部件 ， 在压缩机 工作时各种激 励力都以不同的方式作用在机体上， 引起机体以及 装在机体上的各种零部件的复杂振动【】-2 ]。因此， 制 备出合格的基体铸件对保证天然气压缩机组的使 用性 能是 十 分重要 的 。本 文利 用 三维 造 型软 件 P r o ／ E绘制铸件实体 图， 结合实际生产状况 ， 借助华 铸 C A E软件进行 了基体铸件 的凝 固模拟和浇注系 统优化， 成 实施了基体铸件的生产。 1 基体铸件的技术要求及基本生产条件 图 1 为；饥体铸件的 P r o ／ E三维实体造型结构图。 该压缩机机 是开启式的， 材质要求为 H T 3 0 0 ， 重量 收稿 日期 2 0 1 1 - 1 0 1 2 作者简介 唐大超 1 9 6 3 一 ， 男 ， 学士， 副教授， 主要研究方向 铸造合 金与 亡 艺。 为 1 6 8 k g ， 最大尺寸为 51 8 mm 44 0 mm 4 6 5 mm，最小壁厚为 2 4 mm。机体作为压缩 机组 的重要组成部分 ， 要求铸件不允 许存 在 裂纹等影 响强 度的缺 陷 ，非加工表面应光 洁，不允许有浇铸 冒 口、 残 渣 、 凸瘤 、 结疤 、 粘砂等缺陷。 图 1 基体 P ro ／ E实体 造型 采用树脂砂 造型 ， 一箱一件 ， 选用砂箱尺寸为 9 0 0 m m 6 5 0 m m 4 0 0 m m， 收缩率取 1 ％。机体形 状复杂， 壁厚变化不大， 热节部位多， 在铸造中容易 出现缩松 、 粘砂和变形等铸造缺陷。 2 铸造工艺方案确定及凝固模拟分析 分型面选在最大截面处，将铸件整体放在下 箱 ， 如图 2 所示。 机体浇注系统按封闭原则设计。根据资料[ 3 ] ， 求得机体铸件的有效浇注时间f 2 8 s ；机体铸件的最 1 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m D e c ． 2 0 1 l №6 铸 造 设 备 与 工 艺 2 0 1 1 年第 6 期 图 2 分型面 的确定 L2 4 - 4 小阻断断面面积 ∑F阻 9 ． 2 7 e m 2 o 根据资料 ， 取浇 道 F 茸F 横 F内 1 ．1 5 1 ． 1 1 。 由此 得 F古 l 0 ． 6 6 e m2 , F 横 1 0．2 c m 。 直浇道 、横浇道和 内浇 道的断面形状及 尺寸如 图 3所示 。 蝴 l 一5 0 。 ’ 一 5 6 图 3 浇道断面形状 基体铸件的浇注位置选在铸件的侧面， 浇注的 入口位置首先选在铸件侧面底端，内浇口设置两 道。 采用华铸 C A E ／ I n t e l C a s t R 9 ． 0软件系统进行机 体铸件的上述工艺的凝固模拟嗍 。 1 前置处理 设置实体的属性。铸件和浇注系统包括冒口的 三维造型设计在 P R O ／ E里完成 ，砂芯不直接画出。 在 P R O ／E里面装配好铸件、 浇注系统 、 冒口后导出 的时候不应以整体的文件导出，而是应分别导出， 导出的格式为 S T L 。铸件和浇注系统装配图如图 4 所示 。 倒人软件中后，首先是 S T L 文件预览和旋转 ， 使得浇注系统铸件位置位于正确的方位。 然后设置 各部分的属性 ， 见 图 5 。 将铸件实体旋转至浇口竖直朝上为止， 然后对 实体进行网格剖分。网格划分越小 ， 计算的精度就 越高 ， 但 网格划分太小 ， 计算的速度将非常慢 ， 所 以 应根据铸件的大小选择与之相应的网格大小。 2 合金属性的设置 合金成分 质量分数 3 ．3 ％C 、 1 ．7 ％S i 、 0 ．9 ％M n 、 图 4 装配 图 1 8 0 ． 0 6 5 ％P和 0 ． 0 8 ％S 。 合金物性参数 灰铸 铁的密度为 6 ． 9 g ／ c m， ， 黏度 0 ．0 6 c m Z／ s ， 辐 射 系 数 0 ．3 7 5 ， 潜热 5 5 c a 1] g ， 液相线 1 2 5 2 ℃，固相线 1 1 4 3 o C， 临界固相率取 0 ．7 ， 凝固系 数 1 ． 1 ， 相变收缩 0 ． 0 0 1 ， 液 图 5 S T L属性定义 态收缩率 2 E 一 0 0 5 。 铸件 的物性参数设置为密度 6 ． 9 g ／ c m3 ，比热容 0 ． 1 7 4 8 6 7 J ／ g o C ， 导热系数 0 ． 0 5 4 8 0 1 J ／ c m S ， 初 始温度 1 3 8 0℃。 其他参数设置 为使模拟计算的结果更接近实 际 ， 启用重力补缩功能， 浇注时间大致设为 2 8 s 。按 铸件冷却温度为 1 1 4 3℃结束计算。这里铸件冷却 温度是指铸件 的最高温度 ， 1 1 4 3 o C 是 系统 自行计 算出来的默认停止补缩温度。 3 后置处理 1 ． b mp存盘及． a v i 合成 这里主要保存凝固液 相、 铸件色温和定量缩孔 3 张图片。 批处理完成后， 立即将所得 b mp序列画面合成 a v i 动画。 2 自动生成报告 勾选铸件色温 、 凝 固液相和 定量缩孔 的图片插入到报告中 ， 并选择附加计算参 数项 。 凝固模拟的结果如图 6 所示， 可以看到缩孔主 要集 中在铸件 的顶部。 液相色温如图 7 所示。从最终色温液相可以看 出， 机座底部的温度最高 ， 最后凝 固。 3 工艺优化及生产验证 从上述浇注方式 的凝固模拟的结果可以看 出， 机座的边缘一些地方仍存在缩孑 L 缩松的现象 ， 也就 基本上可以肯定在那些位置早期会存在孤立液相 区，在凝 固的后阶段 因得不到补缩而形成收缩缺 陷。 由于灰铸铁有“ 自实作用” ， 没有设计冒口。 将浇 注位置改为顶注式 ， 内浇道开设在最上端 ， 铁水 在 进入型腔前先经集渣包。这种浇注方式铁水充型平 稳， 自下而上逐渐充满， 有利于型内排气。 但冒口内 的液体金属温度低 ， 不利 于补缩 ， 铸件 的热节处产 生缩松 。但在在顶部加上冷铁之后 ， 使顶部 的金属 液快速冷却 ， 可 以减少缩孔缩松 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年第6 期 唐 大 超， 范 晓 明，邓国 山 天 然 气 压 缩 堡 箜 固 塑 壁 茎 堡堡堡垒鱼 篓 缩孔总体积 1 4 1 ．7 0 ml ，缩松 总体积 m l ， 本铸件此时共 l 6 个缩 孔 1 4 块缩松。集中在铸件顶部。 图 6 定量缩孔模拟结果 冒口处 。 改 为从 顶 部 浇注后 ， 缩孔基本 消除 ， 说 明第二种 工艺 比较合理。 采 用 优 化 的 工艺进行生产 ， 得 到了合格的铸件 ， 证实了工艺合理 ， 适合实际生产 。 共 3个 液 相 区 ， 液 相 总 体 积9 2 1 ． 0 3 m l 。4 结束语 图 7 液相色温模 拟结果 同样 的方法 ， 模拟顶注式浇注方法 ， 同时加上 冷铁 ， 图 8为冷铁浇注系统的相对位置。在机座最 后凝 固的底部加上冷铁 ，浇注位置改为顶注式 ， 装 配图见图 9 ， 模拟结果见图 l O ， 铸件缩孔， 缩松均在 图 8 冷铁、 浇注 系统 图 9 顶注式装 配图 的相对位置 华铸 C A E凝 固模拟 分析 结果 表明 ， 机体铸件机 缩孔总体积 1 6 2 ． 4 3 m l ，缩松总体 积 1 0 3 ． 6 8 m l ， 本铸件共 1 个缩 L ， 2个 缩松均在冒 口 处 。 图 1 0 定量缩孔模 拟结果 座上容易出现缩孔缩松现象 ， 加上冷铁 ， 将底 注式 改为顶注式 ， 缩孔缩松基本消除 。按优化工艺制备 的机体铸件， 铸件质量合格， 达到技术要求。 参考文献 [ 1 ] 高其烈． 国际C N G压缩机技术的新进展[ J ] _通用机械， 2 0 0 3 1 1 3 4 - 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