壓縮機螺桿鑄造工藝與自動化生產(chǎn)線的研究開發(fā)

魏劍濤, 黃列群

(浙江省機電設計研究院有限公司, 杭州 310051)

壓縮機螺桿鑄造工藝與自動化生產(chǎn)線的研究開發(fā)

魏劍濤, 黃列群

(浙江省機電設計研究院有限公司, 杭州 310051)

針對壓縮機螺桿鑄件質量大多不穩(wěn)定，已經(jīng)嚴重影響到壓縮機產(chǎn)品的整體性能問題，提出采用鐵型覆砂鑄造工藝生產(chǎn)壓縮機螺桿，解決現(xiàn)有鑄造工藝容易形成縮孔、縮松、皮下氣孔、石墨漂浮等缺陷，鑄件廢品率高等問題。在此基礎上,按照鐵型覆砂鑄造工藝流程，研發(fā)了自動化生產(chǎn)線，實現(xiàn)螺桿鑄件的批量生產(chǎn)。

壓縮機螺桿; 鐵型覆砂鑄造; 鑄造工藝; 自動化生產(chǎn)線

0 引 言

螺桿壓縮機分為單螺桿壓縮機和雙螺桿壓縮機,最早由德國人H.Krigar于1878年提出,直到1934年瑞典皇家理工學院A.Lysholm才奠定該項技術,并開始廣泛應用于工業(yè)領域。螺桿壓縮機在機械、冶金、建筑、礦山、化工、動力、制冷等工業(yè)部門應用廣泛,并在工礦領域和寬廣容量范圍逐步替代了其他種類壓縮機。據(jù)統(tǒng)計,在所有正在運行的容積式壓縮機中,50%以上是螺桿壓縮機,同時其銷售量已占全部容積式壓縮機銷售量80%以上[1]。螺桿壓縮機具有較多的優(yōu)點,具體包括強動力平衡性、高自動化程度、高可靠性、強適應性以及操作維護方便和多相混輸?shù)?。隨著研究深度的不斷擴展和設計技術的持續(xù)提高,螺桿壓縮機的性能將得到進一步改善,其應用領域將日益擴寬。當前螺桿壓縮機逐步在燃料電池等新領域開始應用并不斷擴大[1-2]。

螺桿壓縮機中最重要的部件是一對相互嚙合的螺桿(即轉子)。眾所周知,壓縮機的質量很大程度上直接取決于螺桿的制造質量,因此,螺桿對壓縮機的性能會產(chǎn)生較大的影響。螺桿一般為球墨鑄鐵,制造的第一道工序是鑄造,鑄件將直接影響螺桿的機械性能、尺寸精度和加工成本。

1 螺桿鑄件的特點和鑄造工藝的選擇

常用壓縮機螺桿鑄件外形如圖1所示,兩端為軸或法蘭盤,中間為螺旋形齒面。由于鑄造過程中部分齒面無法起模,一般采用增加補貼形成可以起模的齒面,也有通過下芯的方式直接鑄出整體齒面，雖然鑄造成本上升，但加工量少了。壓縮機利用兩個螺桿的嚙合過程的空隙做功,因此螺桿的機械性能、尺寸精度都要求比較高,螺桿的材質一般為QT800-2,具有較好的機械強度和抗磨、抗腐性能,尺寸穩(wěn)定性也比較好。

圖1 某型號螺桿零件外形

目前螺桿鑄件一般都采用潮模砂或樹脂砂鑄造,由于螺桿容易形成縮孔、縮松、皮下氣孔、石墨漂浮等缺陷,鑄件廢品率高,潮模砂鑄造廢品率約30%左右,樹脂砂鑄造廢品率也在20%左右[3-4]。為了減少鑄件的縮松縮孔缺陷,工藝設計中往往采用大冒口進行補縮,造成了工藝出品率較低,一般在80%以下。分析其原因,球墨鑄鐵具有糊狀凝固和凝固過程中石墨化膨脹等特點,螺桿尺寸相對粗大，模數(shù)大,要求鑄型剛度高、冷卻速度快,潮模砂和樹脂砂的鑄型達不到以上要求,因此造成廢品率居高不下。另外潮模砂由于型砂配比、水分等可變因數(shù)較多,在線準確檢測和控制也比較困難,生產(chǎn)的鑄件質量不穩(wěn)定。我們根據(jù)螺桿鑄件的特點,選擇了鐵型覆砂鑄造工藝加以試驗。

鐵型覆砂鑄造是一種在金屬型(或稱鐵型)內腔覆上薄層型砂而形成鑄型的鑄造工藝,屬特種鑄造,兼具金屬型鑄造和殼型鑄造的雙重優(yōu)點,也稱為鐵模覆砂、覆砂金屬型。鐵型覆砂鑄型與砂型相比,尺寸精度高、表面質量好、鑄型剛度大,冷卻速度快,因此特別適合球墨鑄鐵件的生產(chǎn)[4-5]。球墨鑄鐵凝固方式為典型的糊狀凝固,補縮距離短,鑄造縮松縮孔消除困難,同時球墨鑄鐵凝固過程中的石墨化膨脹,在鑄型剛度較差的情況下產(chǎn)生脹型,進一步加劇了鑄件內部產(chǎn)生縮松縮孔的可能性。為了使鑄件充型、凝固和冷卻過程在一個比較理想的條件下完成,鐵型覆砂鑄造工藝將鐵型的重量、壁厚與覆砂層厚度這三者進行合理地結合。鑄型沒有退讓性,對球墨鑄鐵件的生產(chǎn),利用了球墨鑄鐵在凝固過程中石墨化膨脹抵消鑄件的線收縮和體收縮,提高了鑄件的致密性。同時,鐵型覆砂鑄造冷卻速度快,鑄件石墨球和晶粒較細,可提高球化等級1～2級[3-6]。

2 鐵型覆砂鑄造工藝設計

根據(jù)螺桿尺寸精度和表面質量要求,結合鐵水熔煉處理后的潔凈程度,鑄件加工余量一般放置3～5 mm,齒形局部為了起模斜度要求,加工余量在10 mm以上。鑄件收縮率一般設計0.6%～0.8%,按照自由收縮和受阻收縮情況選擇。

鐵型覆砂一般鐵型尺寸為1 000 mm×660 mm,根據(jù)螺桿的外形尺寸和結構,工藝上采用一型布置2～3支螺桿,按照同時凝固的原則,設計內澆口引入位置。對于模數(shù)較大的鑄件,鐵型覆砂鑄造可以充分利用石墨化膨脹彌補凝固中的收縮體積空洞,因此不專門設計補縮冒口。采用半封閉式澆注系統(tǒng),橫澆道作為小冒口功能,保證冷卻過程中的液態(tài)補縮,因此大大提高了工藝出品率。直澆道、橫澆道和內澆口的面積之比為1.8∶2.5∶1,橫澆道的面積擴大提高了澆注系統(tǒng)的撇渣能力,而內澆口面積的縮小能確保在鐵液石墨化開時膨脹前封閉,由此對鑄件進行自補縮可通過鐵液石墨化膨脹的充分利用達到[7]。設計的鐵型覆砂鑄造用模型見圖2,覆好砂的鐵型見圖3所示(覆砂層厚度為6～8 mm)。

圖2 螺桿鑄造用模型

圖3 覆砂后的鐵型

實際生產(chǎn)中,選用優(yōu)質原材料,采用應達5噸串聯(lián)中頻爐熔煉,經(jīng)過球化、孕育后進行澆注。鑄件化學成分為3.8%～3.9%C,2.1%～2.3%Si,0.4%～0.6%Mn,≤0.02%S,≤0.05%P。鑄件的金相組織:球化等級2級,石墨球6～7級,珠光體85%以上。經(jīng)生產(chǎn)統(tǒng)計,采用鐵型覆砂鑄造工藝生產(chǎn)螺桿鑄件,成品率達到95%以上,工藝出品率85%以上。鑄件外觀質量好,尺寸精度高,減少了加工余量,節(jié)約了金屬材料和后續(xù)機加工工時。鑄件機械性能大大提高,鑄態(tài)性能穩(wěn)定達到QT800-2,取消了正火熱處理工序。采用鐵型覆砂鑄造工藝生產(chǎn)螺桿鑄件,實現(xiàn)了節(jié)能、節(jié)材和環(huán)保的優(yōu)勢。

3 自動化生產(chǎn)線的開發(fā)

鐵型覆砂鑄造生產(chǎn)流程如圖4所示(從造型開始):清理并調溫后的鐵型由送箱系統(tǒng)送入造型機進行造型,同時將造好型的鐵型推出造型機。造型機后至中間過渡小車采用斜輥道,鐵型經(jīng)過翻箱機翻箱后,檢查造型質量,根據(jù)需要下芯,并在中間過渡小車A前等待。中間過渡小車A為雙箱小車,可以一次轉運一個上型和一個下型,提高效率,同時與合箱協(xié)調。造型完好的鐵型利用送箱系統(tǒng)送入合箱前輥道,造型不好、不能澆注鐵型由送箱系統(tǒng)送入備用輥道。合箱前須奠定合箱的基礎,可以通過斜輥道借組翻箱機將上型翻箱加以實現(xiàn)。合箱后,利用機動輥道將鐵型輸送到過渡小車B,進而被輸送到澆注段,直至變軌提升機,由變軌升降機將鐵型置于澆注平車上,最后進入澆注平車的循環(huán)系統(tǒng)。

在澆注平車上,鐵型將完成上箱扣、放澆口杯、澆注及澆注完成后澆口杯的鏟除、冷卻后卸箱扣等一系列動作,再將其輸送到變軌升降機,提升進入過渡小車C(斜輥道)。通過過渡小車C將鐵型送入開箱機進行開箱。開箱后的鐵型由斜輥道輸送到出鑄件機進而將鑄件放入料斗;下鐵型的翻箱還是由斜輥道輸送到翻箱機完成。過渡小車D將同時輸送到的上鐵型和下鐵型按類型送到相應的造型線。造型前輥道均為斜輥道,分別有鐵型清理機、翻箱、水冷、翻箱等工位。在水冷前后分別設測溫點,控制鐵型溫度。清理和調溫后的鐵型停留在造型機前,等待進入下一個循環(huán)。

圖4 鐵型覆砂成型生產(chǎn)流程

圖5為鐵型覆砂成型生產(chǎn)線平面布置圖。鐵型覆砂成型生產(chǎn)線由硬件設備和輔助系統(tǒng)構成,其中設備主要有合箱機、開箱機、翻箱機以及輸送輥道、鑄件機、覆砂造型機、冷卻器、頂孔機、落砂機、電動小車等;輔助系統(tǒng)主要有澆注和清理等,而澆注主要分為存儲段和澆鑄段,企業(yè)可按自身的實際需要安排生產(chǎn)節(jié)拍,澆注前后均要對上箱扣和卸箱扣工位進行布置,澆注既可采用人工定點澆注也可采用移動吊包澆注。生產(chǎn)線的運轉動力有氣動、電動和液壓傳動等方式,每臺設備乃至整條生產(chǎn)線的動作可選用自動模式或手動模式。圖6為生產(chǎn)線真實場景。

圖5 生產(chǎn)線平面布置圖

圖6 生產(chǎn)線現(xiàn)場照片

生產(chǎn)線的自動化控制系統(tǒng)是把車間的管理網(wǎng)絡與企業(yè)的信息網(wǎng)絡進行互聯(lián),進而以開放式的體系結構融入到企業(yè)的綜合自動化網(wǎng)絡之中,該控制系統(tǒng)主要是面向生產(chǎn)過程中的控制網(wǎng)絡和車間操作員的管理網(wǎng)絡。生產(chǎn)線采用了涵蓋現(xiàn)場級、控制級、車間級三層網(wǎng)絡結構的控制網(wǎng)絡體系,同時一些特別復雜的系統(tǒng)還可以添加管理級網(wǎng)絡結構。其中,MPI(Multi Point Interface)是西門子公司設計的用于PLC之間通訊的保密協(xié)議,該網(wǎng)絡主要適用于車間層和現(xiàn)場層的連接。西門子系列CPU模塊內置設有MPI接口,該接口能同時連接運行編程器、計算機、人機界面和其他外設。MPI采用全映射服務器的新型網(wǎng)絡模式,在現(xiàn)場級和控制級之間采用Profibus網(wǎng)絡組網(wǎng)和脈沖式的控制方式。

現(xiàn)場設備與控制器之間的連接通過一對一的方式(即I/O方式)進行,信號4～20mA(傳送模擬量信息)或24VDC(傳送開關量信息)具有傳輸速度快和穩(wěn)的特點,并可實現(xiàn)整個生產(chǎn)線之間的聯(lián)網(wǎng)。上位機、以及主站從站之間均采用令牌傳遞方式實現(xiàn)互相訪問,通訊主要通過從“主到從”方式,可以循環(huán)訪問。

該生產(chǎn)線運用上位監(jiān)控計算機控制,上位機主要是以查詢的方式對數(shù)據(jù)進行處理,具體涵蓋了調整控制參數(shù)、運行記錄、顯示狀態(tài)等功能。每套設備選擇手動或自動旋鈕控制方式實現(xiàn)獨立運行。手動控制的操作過程為:a)按鈕信號進入PLC;b)在程序上實現(xiàn)軟連鎖;c)控制輸出。手動控制的優(yōu)點在于各環(huán)節(jié)之間具有互鎖的功能,同時可減少外部硬件的用量及故障率。自動控制的運行程序為:a)采集砂箱、設備位置信號及其反饋信號;b)信號傳遞至電磁閥、中繼;c)程序控制電機、氣缸、油缸等。自動控制的優(yōu)點在于單個工部的手動操作不影響其他工部的自動運行,生產(chǎn)線各工部之間無剛性連鎖。

該生產(chǎn)線安裝調試已經(jīng)穩(wěn)定運行了一年多,生產(chǎn)率每小時25～30型,生產(chǎn)線的機械化、自動化程度高,操作方便,生產(chǎn)環(huán)境好。

4 結 語

壓縮機螺桿采用鐵型覆砂鑄造工藝,可以充分利用工藝優(yōu)勢,實現(xiàn)無冒口鑄造,而且生產(chǎn)的鑄件組織致密,機械性能好,表面質量和尺寸精度高,鑄件質量穩(wěn)定,同時在生產(chǎn)成本上也有優(yōu)勢,因此采用鐵型覆砂鑄造工藝生產(chǎn)壓縮機螺桿是非常成功的。根據(jù)鐵型覆砂鑄造工藝特點,開發(fā)的自動化生產(chǎn)線,實現(xiàn)了螺桿鑄造的高效穩(wěn)定生產(chǎn),具有顯著的節(jié)能、節(jié)材和環(huán)保優(yōu)勢,改善了工人勞動環(huán)境。該項目已經(jīng)成為壓縮機鑄件生產(chǎn)中節(jié)能環(huán)保、清潔生產(chǎn)的先進標桿,值得在行業(yè)內推廣。

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[2] 邢子文. 螺桿壓縮機研究進展及應用趨勢[J]. GM通用機械, 2006(1) : 30-33.

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(責任編輯： 陳和榜)

Research and Development of Casting Technology and Automatic Production Line of Compressor Screw

WEIJian-tao,HUANGLie-qun

(Zhejiang Institute of Mechanical & Electrical Engineering Co., Ltd., Hangzhou 310051, China)

To solve the problem of that the quality of most casting pieces of compressor screw is not stable, and severely impacts the whole performance of compressor products as a consequence, a suggestion to produce compressor screw with sand-lined metal mold process is put forward in this article, so as to resolve the defects of existing casting process of liability to shrinkage cavity, shrinkage porosity, subcutaneous hole and graphite floatation, and high rejection rate of casting. Based on the flow of sand-lined metal mold process, an automatic production line is designed in this article, so as to achieve the goal of mass production of screw casting pieces.

compressor screw; sand-lined metal mold; casting process; automatic production line

1673- 3851 (2015) 01- 0100- 04

2014-10-12

魏劍濤(1963-),男,杭州人,高級工程師,主要從事機械產(chǎn)品開發(fā)、鑄造工藝設計、工廠設計等方面的研究。

黃列群,E-mail:wkwjt@163.com

TH162.1

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