压缩机原工艺的模拟凝固计算

　　活塞式压缩机的气缸体是形成压缩容积和防止气体泄漏主要部件，其制造质量的好坏直接影响着整机的性能，如何提高压缩机的使用性能，改善其内在质量是压缩机行业普遍关注的问题。特别是渗漏问题，因为多数情况下充填介质为N 2、H 2、NH 3、液化气、石油气、天然气等特殊气体介质，若渗漏易发生爆炸，发生生命财产安全问题，损失很大，这极大影响了压缩机水平提高和品种拓宽，因此，非常有必要对其进行进一步的研究和探索。气缸的材料根据压缩气体的性质和承受的压力选取。主要牌号有HT200、HT250、QT600- 3等，压缩机气缸体要求具有足够的强度和刚度，活塞运行工作表面具有良好的耐磨性；水、气腔及结合部分的连接密封要可靠；工作表面应有良好的润滑状态；气缸缫面硬度要求190HB 241HB；工作表面具有细微的珠光体组织；气缸的气腔应以不低于1. 5倍的*大允许工作压力做水压试验，保压时间不少于30 m in，不得渗漏；水腔应以不低于0. 6 MPa压力做水压试验，不得渗漏。

　　气缸缫面不允许修补，铸件的主要表面不允许有砂眼、缩孔缩松、疏松、气孔、夹渣等缺陷，气腔应彻底清除型砂并喷涂防锈漆。筋部不允许有裂纹，且消除应力。该类气缸直径多在800 mm以上，高度多在1 000 mm以上，主要壁厚30 mm 50 mm，重量达1 t 10 ，t材质多为HT250、HT300及球墨铸铁，对于气腔要求压力比较高（ ？ 6. 0 MPa）的气缸，通常要求用QT600- 3的材质，铸造难度还是比较大的。

　　典型的MD型化肥设备的缸体不同角度的剖视图，由可以看出，缸体的结构形状比较复杂，从整体上看是筒状，为三层壁结构，中间是环形水套，在**层与第二层交接部位以及与进排气孔连接部位是比较厚大的热节，散热条件较差，是容易产生缩松渗漏部位；压缩机缸体由于内腔结

　　构复杂，充型阻力较大，缸径容易产生气孔、夹渣缺陷，故浇注系统的设计应充分考虑；压缩机缸体主要缺陷有缩松渗漏、气孔、夹渣、粘砂等，总废品率在10%左右，外废当中，缩松（渗漏）气孔占绝大多数，这类缺陷都是在加工完后进行打压试验时渗漏才发现，浪费大量人力物力，渗漏部位多在阀孔周围，即水腔第二层壁与缸径交界处。因此，非常有必要对其铸造工艺进行改进。

　　1原工艺简介该缸体的材质为HT250 ，毛坯重量3 000 kg，浇注重量3 300 kg，轮廓尺寸为1 100 1 200 1 180（mm ），铸件*小壁厚30 mm，*大壁厚80 mm，主要壁厚35 mm，直浇道为80 mm，横浇道为（42 + 52） 62两条，内浇道为50 10（mm）的8条，浇注温度1 350 ，浇注时间约50 s，树脂砂造型，采用底注方式，内浇道径向分散开设，顶上加环型压力冒口H= 300 mm，厚度125 mm，这种方式是目前仍大量应用的传统方式，顶上的压力冒口主要是对缸体进行补缩，兼有排气除渣功能，但该种方式的工艺出品率较低，仅能达到75%左右，光压力冒口就达20% 30%，一个5 t重的缸体，压力冒口就达1 t重，且在阀孔位置不稳定地出现缩松渗漏现象。

　　2原工艺的模拟凝固计算采用SOLIDWORKS建模，转变成STL文件，然后导入铸造CAE模拟凝固分析系统。前置处理时，采用均匀剖分网格，充型过程网格大小为10 mm，总网格数为3 600 000，铸件本体网格数为350 201；凝固过程网格大小为15 mm，总网格数为1 891 175，铸件本体网格数为105 613.模拟采用的工艺参数如所示。

　　3原工艺模拟结果分析原工艺充型过程不同时刻的充型状态，总充型时间为40. 26 s，从制作成的动画播放及不同时刻的静止状态看，整个充型过程比较平稳，无明显紊流现象，型腔内液面上升高度几乎一直保持在同一水平面上，除在液流刚刚到达型腔底部时局部有负压产生外，以后的充型过程一直没有负压产生，这充分说明内浇道径向分散开设充型是比较平稳的。

　　凝固过程不同时刻的液相分布状况，原工艺凝固过程*终缩孔缩松半剖视图，由此可以看出，缸体的凝固顺序：先是环型水套的第二层壁先凝固，接着是*外层壁和缸径壁凝固，再是阀孔周围壁厚凝固，然后是铸件底部凝固，*后是压力冒口凝固。这样的凝固顺序恰好反映了铸件本身的结构尺寸，因为环型水套的第二层壁厚30 mm，缸径壁厚是45 mm，*外层壁厚是35 mm，阀孔周围与环型水套相交接部位大约在50 mm - 60 mm，而铸件底部则达80 mm厚，压力冒口厚度为125 mm，体现了热节小先凝固，热节大后凝固的特点。而铸件凝固*终形成的缩孔缩松部位也是在*晚*后凝固的部位，即在铸件的下半部分和底部，如所示（图中用红笔圈出来的部分）。这与生产实际中因缩孔缩松而导致打压渗

　　从整体上看存在下高上低的温度分布趋势，但在随后的冷却过程中，通过型腔中铁液的热对流，温度较低的铁液下沉，温度较高的铁液上浮，使上低下高的温度梯度倒过来，当t= 172 s时，就变成上高下低了，此时上部温度为1 250 ？ ，下部温度为1 204 ？ ，随后的冷却过程就一直保持上高下低的温度分布，中部温度几乎一直保持较低的温度，这与中部散热冷却快有关，这也与液相分布反应的中部先凝固的凝固顺序相符。但从整体上看，温度梯度较小，温度分布趋向均匀化，只是压力冒口的温度明显高于其它部位。那是不是说明铸件各部分单元在凝固过程中趋于同时凝固，就不会产生缩孔缩松了呢不是的，从上面给出的液相分布图来看，在这种温度分布条件下，缸体趋向于%同时收缩，是哪个单元热节厚大，哪个部位就晚凝固，这样缸体的下半部分就是晚凝固部位，而其它单元早已凝固，没有铁水对其进行补缩，下半部分就很自然地产生缩孔缩松了，而缸体的上半部分怎么没有产生缩孔缩松呢这是因为压力冒口对其产生了补缩作用，压力冒口在整个铸件的凝固过程中是*晚凝固部位，这从液相分布、铸件色温和缩孔缩松形成过程可以看出。

　　4改进工艺后的模拟凝固4. 1顶注雨淋浇注系统条件下的模拟结果及分析将浇注系统由底注改变为顶注雨淋，是不是能够改善先中间后两头的凝固顺序呢是顶注雨淋浇注系统工艺充型过程不同时刻的压力分布情况，总充型时间也是40. 26 s，尽管整个充型过程液流下降时产生负压（图中红色部分），但被随后上升的液面所淹没抵消，整个充型过程还是比较平稳的。

　　凝固过程液相分布情况，从图中可以看出，顶注雨淋浇注系统并没有改善先中间后两头的凝固顺序，这主要是热节大小相差悬殊所致。顶注雨淋浇注系统工艺有、无压力冒口条件下缩孔缩松形成状况，仍然在铸件的下部*晚凝固部位产生了缩孔缩松。

　　4. 2采取不同冷却措施后的模拟结果及分析铁水的引入位置不能改善铸件的凝固顺序，只有采取加冷铁强制激冷措施，分别在缸径、底面和阀孔厚大热节三处加冷铁激冷，冷铁厚度= 40 mm，位置。顶注雨淋浇注系统缸径冷铁（两处） +阀孔冷铁条件下的液相分布，从模拟结果可以看出，由于冷铁的使用，大幅度改变了缸体的凝固顺序：先是缸径加冷铁部位凝固，再是阀孔周围凝固，紧接着是环形水套凝固，*后是缸体底部和压力冒口凝固，这样仍然产生了缩孔缩松，而且在环形水套的缸径壁上也产生了缩孔缩松。

　　铁条件下的N iyama缩松函数分布分集中在环形水套的缸径壁上，这是容易打压渗漏的地方，是绝对不允许的。因此缸径加冷铁是不适宜的，特别是上部的缸径冷铁，其激冷作用严重阻碍了自底向上的凝固顺序，不利于缸体的整体补缩。

　　只在阀孔处加冷铁、底面冷铁+阀孔冷铁、底面冷铁+阀孔冷铁+缸径冷铁（只下部一处），这三种情况均有不同程度的缩孔缩松产生，但是d）底面冷铁+阀孔冷铁+缸径冷铁（只下部一处）的缩孔缩松*轻微，只在缸体的下部阀孔处产生了3. 38 cm 3缩孔缩松区，因此就目前情况来看，这种工艺是*好的。从均衡凝固理论角度来讲，铁水从顶上以较大的压力快速充填型腔，使先浇入的铁液尽快静止下来，提前石墨化膨胀，以提高自补缩的利用程度，因为低温铁液在下，高温铁液在上，后浇入的高温铁液有接续作用，对液面的冲击搅动有利于渣子和气体的上浮而被排除，加上冷铁对热节的激冷作用，形成了上高下低的有利于补缩温度分布，促使铸件下部先冷却凝固，进入石墨化膨胀，再加上处于顶部的冒口和浇道的重力质量补缩，使顶注条件下铸铁件的补缩效果得以充分发挥，有效防止了缩孔和缩松缺陷的产生。

　　5生产验证通过以上几种方案的模拟结果分析，得到了缸体的*佳工艺方案是顶注雨淋浇注系统+顶部压力冒口+底部冷铁+阀孔冷铁+缸径冷铁（下部），将此方案应用于实际生产中，在D12（24） W、6MD32（4）、BVC392、BVC5A98、D12（20）、4M 45、4M 8G、D6. 5等系列产品的缸体上做了试验，产品均得到成功，而且将工艺出品率由75 %提高到90%左右，效果显著。

　　6结论1）分别模拟了底注方式和顶注雨淋两种工艺方案的充型和凝固过程，发现两种方案的充型过程均比较平稳，揭示了缸体的液相分布和温度场分布及凝固顺序，特别是底注方式在充型完毕时形成了下高上低不利于补缩的温度场分布，而顶注雨淋方式在充型完毕时则形成了下低上高的有利于补缩的温度场分布，但这两种温度场分布的趋势都很弱；2）正是由于冷铁的使用，才使顶注雨淋方式的下低上高的温度场分布趋势得到明显的加强，改善了缸体在凝固过程中的液相分布，改变了先中间后两头的凝固顺序，缸体从总体上形成了从下往上的有利于补缩的凝固顺序；但是，冷铁的位置也不能随便放置，压缩机缸体的上部缸径冷铁是不能使用的，因为它阻碍了下部的补缩，易使缸径产生轴线缩松；3）通过模拟及试验，得到缸体的*佳工艺方案是顶注雨淋浇注系统+顶部压力冒口+底部冷铁+阀孔冷铁+缸径冷铁（下部）；4）通过浇注系统及冒口的开设变化，辅以冷铁等激冷措施，能够改善铸件的温度场分布，调整铸件的凝固顺序，提高铸件的内在质量。应用数值模拟凝固分析工艺，确实是能够预测铸件缩孔缩松倾向，改进和优化工艺，提高产品质量、提高工艺出品率的好方法。