CN104722718B - 承压用泥浆泵空气包外壳的铸造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种承压用泥浆泵空气包外壳的铸造方法，步骤包括：步骤1、工艺设置：选择空气包外壳大口朝下；对空气包外壳外球面的加工余量层优化设置；制作球体砂芯及芯头及相应的固定杆；在空气包外壳顶端设置保温明冒口；在空气包外壳开口端处设置两处冷铁；安装浇注流道；绘制工艺图纸；步骤2、实施浇铸：制作实体模样及球形球体砂芯及芯头的木头芯盒；造型后，取出实体模样形成型腔；制作球体砂芯及芯头、砂芯骨架、摆放排气绳；喷刷涂料；合箱；砂型烘烤；浇注；开箱；一次喷砂；打磨和修复；正火处理；二次喷砂，即成。本发明的方法，制作的空气包外壳铸件精度高，生产成本显著降低。

Description

承压用泥浆泵空气包外壳的铸造方法

技术领域

本发明属于机械设备制造技术领域，涉及一种承压用泥浆泵空气包外壳的铸造方法。

背景技术

空气包是石油钻采设备泥浆泵上的重要部件，在钻井过程中起稳压、减小波动的作用，空气包外壳是主要起保护和承压作用的零件。参照图1、图2，空气包外壳1的形状为空心球体，技术要求是：内、外表面磁粉探伤、体积无损检测、静水压试验承压52Mpa。

为了保证产品质量，一般制作为锻件，材质为35CrMoA，但这种方式锻造出的空气包外壳后期机械加工难度大，生产周期长，造成生产成本较高，成本大约为铸造空气包外壳的4倍。

采用常规铸造方法生产的铸造空气包外壳往往缺陷较多，内部组织不够致密，易造成渗漏和裂纹缺陷，因此，急需研制制作空气包外壳的新方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种承压用泥浆泵空气包外壳的铸造方法，解决了现有技术中锻件空气包外壳机械加工难度大，导致生产成本较高的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种承压用泥浆泵空气包外壳的铸造方法，按照以下步骤实施：

步骤1、工艺设置

1.1)选择空气包外壳大口朝下的分型方案；

1.2)根据空气包外壳的结构，对空气包外壳外球面的加工余量层进行优化设置；

1.3)制作空气包外壳内腔的球形砂芯及芯头，球形砂芯及芯头中的砂芯材料选用碱酚醛树脂砂，同时制作相应的固定杆；

1.4)在空气包外壳顶端设置一个保温明冒口；

1.5)在空气包外壳开口端处设置两处冷铁，一处为冷铁二，一处为冷铁一，并设置合理间隙；

1.6)安装两层浇注流道；

1.7)绘制工艺图纸；

步骤2、实施浇铸

2.1)按工艺图纸，制作空气包外壳的实体模样，同时制作球形砂芯及芯头的木头芯盒；

2.2)按工艺图纸，将制作好的实体模样、保温明冒口、冷铁一、冷铁二和浇注流道在下砂箱及上砂箱中分别造型，造型砂采用碱酚醛树脂砂，造型时应将型砂捣实，检测型砂的常温抗压强度应大于2.0MPa，待型砂自硬化后，取出实体模样形成型腔；

2.3)按工艺图纸，制作球形砂芯及芯头，先加工砂芯骨架，砂芯骨架主杆采用钢管，在砂芯骨架上按工艺图纸位置要求焊接圆环用来安装球形砂芯及芯头的固定杆，再根据芯盒的形状在砂芯骨架上用钢筋焊接多处加强支架，制芯前在砂芯骨架主杆上缠绕上草绳，摆放排气绳以保证排气孔通畅，制芯时要将做好的砂芯骨架放置在芯盒内合适位置；

2.4)喷刷涂料，涂刷做好的型腔和球形砂芯及芯头；

2.5)合箱；

2.6)砂型烘烤，将型砂在浇注前进行烘干，直到浇注时结束烘干；

2.7)浇注；

2.8)开箱；

2.9)一次喷砂，对空气包外壳进行喷砂；

2.10)打磨和修复；

2.11)正火处理，对空气包外壳进行高温正火处理，正火温度控制在900℃～930℃，时间控制为5～6小时；

2.12)二次喷砂，对空气包外壳进行二次喷砂，即成。

本发明的有益效果是，采用碱酚醛树脂砂和特定工艺方法的铸造空气包外壳的生产方法，铸造空气包外壳外壁加工余量利用凝固模拟CAE软件进行工艺优化设置，并通过实际生产验证寻求最合理的外壳外表面加工余量；在外壳大口端处设置两种不同规格的冷铁，达到适当的激冷效果，钢液凝固时能实现顺序凝固的目的；该铸造空气包外壳内部组织致密，毛坯内、外壁探伤均无裂纹，内壁为非加工表面，表面质量和尺寸精度达到了设置要求，彻底解决了内壁加工困难的技术难题，降低了生产成本，有很好的推广应用价值。

附图说明

图1是本发明方法所要制作的空气包外壳的立体结构示意图；

图2是图1的剖视图；

图3是本发明方法设置加工余量后的剖视图；

图4是本发明方法铸造方法采用的工艺原理示意图；

图5是本发明方法的造型用空气包外壳的实体外形示意图；

图6是本发明方法铸造时的辅助装置装配结构示意图；

图7是图6中固定杆10的放大结构示意图。

图中，1.空气包外壳，2.加工余量层，3.保温明冒口，4.浇注流道，5.冷铁一，6.冷铁二，7.球形砂芯及芯头，8.砂芯骨架，9.草绳及排气绳，10.固定杆，11.排气孔，12.下砂箱，13.型砂，14.分型面，15.上砂箱，16.实体模样。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参照图1、图2，是本发明所要生产的承压用泥浆泵空气包外壳毛坯的结构示意图，直接为空气包外壳1的成型尺寸。

参照图3，是本发明方法设置加工余量后的剖视图，在空气包外壳1的成型尺寸外还留有加工余量层2。

参照图4，本发明方法的空气包外壳的铸造工艺原理是：采用球体砂芯及芯头7进行中间分型，使空气包外壳1的开口端朝下，有利于砂芯设置和固定，使用两种冷铁(冷铁一5、冷铁二6)加速开口端(末端)的冷却，空气包外壳1顶部设置保温明冒口3增加钢液补缩效果，浇注流道4采用两层阶梯浇注结构设置，有利于空气包外壳1凝固时达到顺序凝固的目的。

参照图5，是本发明方法的造型用空气包外壳的实体模样外形图：实体模样16可选择木材或塑料制作，从中间直径最大处分型，实体模样16用来形成型砂13的型腔。

参照图6，本发明方法在铸造空气包外壳生产过程中采用的型腔制作过程是，包括以分型面14为基准的下砂箱12和上砂箱15，下砂箱12和上砂箱15中间放置实体模样16，实体模样16上下分别连接有保温明冒口3、浇注流道4、冷铁一5和冷铁二6，冷铁一5沿实体模样16开口端圆周外侧设置，冷铁二6沿开口端下表面设置；在下砂箱12和上砂箱15中填充型砂13并捣实，待下砂箱12和上砂箱15的型砂13自硬化后，取出实体模样16形成型腔。

球形砂芯及芯头7的制作过程是，球形砂芯及芯头7下端设置有排气孔11通往下砂型12之外，在球形砂芯及芯头7中间预置有草绳及排气绳9，还安置有砂芯骨架8，砂芯骨架8的下端与固定杆10连接，固定杆10是为了对球形砂芯及芯头7进行牵挂固定，防止浇注时钢液对球形砂芯及芯头7产生浮力而造成漂芯的铸造缺陷，见图7。

将球形砂芯及芯头7放置在型砂13形成的型腔中，合箱并固定球形砂芯及芯头7。

综上所述，本发明承压用泥浆泵空气包外壳的铸造方法，利用上述的辅助装置，按照以下步骤实施：

步骤1、工艺设置

1.1)考虑芯头固定时操作方便，选择空气包外壳1大口朝下的分型方案，见图3、图4中的分型面14；

1.2)根据空气包外壳1的结构，借助计算机凝固模拟软件对空气包外壳1外球面的加工余量层2进行优化设置，使其达到理想的顺序凝固的目的；

1.3)制作空气包外壳1内腔的球形砂芯及芯头7，砂芯材料选用碱酚醛树脂砂，芯头长度和间隙根据相关国标确定，同时制作相应的固定杆10；

1.4)根据模数法或其它计算方法，在空气包外壳1顶端设置一个大的保温明冒口3，实施例中保温明冒口3的尺寸为Φ300×600mm；

1.5)在空气包外壳1开口端处设置两处冷铁，一处为δ＝40mm底面整圈冷铁二6，一处为δ＝30mm高度70mm的外圈冷铁一5，设置合理间隙；

1.6)安装两层浇注流道4，下层为Φ50mm的两道内浇道(图4中用箭头示意实际为2道)，上层为Φ70mm直通保温明冒口3的内浇道，竖直的主浇道为Φ70mm，浇注时间为55～70s；

1.7)绘制工艺图纸；

步骤2、实施浇铸：

2.1)按确定的工艺图纸，制作空气包外壳1的实体模样16，同时制作球形砂芯及芯头7的木头芯盒；

2.2)按工艺图纸，将制作好的实体模样16、保温明冒口3、冷铁一5、冷铁二6和浇注流道4在下砂箱12及上砂箱15中分别造型，造型砂采用碱酚醛树脂砂，造型时应将型砂13捣实，检测型砂13的常温抗压强度应大于2.0MPa，待型砂13自硬化后，取出实体模样16形成型腔；

2.3)按工艺图纸，制作球形砂芯及芯头7，先加工砂芯骨架8，芯骨主杆采用Φ40mm钢管，在芯骨上按工艺图纸位置要求焊接Φ40mm圆环用来安装砂芯的固定杆10，再根据芯盒的形状在芯骨上用Φ8mm的钢筋焊接多处加强支架以增加砂芯的强度，制芯前在芯骨主杆上缠绕上草绳，摆放排气绳以保证砂芯排气孔11通畅，制芯时要将做好的芯骨放置芯盒内合适位置；

2.4)喷刷涂料，采用手工涂刷，使用铸钢用树脂砂常用的锆英粉酒精快干涂料涂刷做好的型腔和球形砂芯及芯头7，涂刷3～4遍；

2.5)合箱，根据工艺图纸预先制作好一根Φ20mm的碳钢材料的固定杆10备用，下芯时首先要将硬化后的型砂13的排气孔清理干净，用封箱泥条将排气孔11固定在砂芯孔圈在内，再在球形砂芯及芯头7芯头外壁处用石棉绳缠绕4圈，然后将制作好的球形砂芯及芯头7放置在造好的型腔内，调好位置后用固定杆10将砂芯在下砂箱12底上用螺栓固定，清理干净型腔残砂，最后扣合上砂箱15并固定可靠；

2.6)砂型烘烤，合箱后将型砂13在浇注前使用热风机进行烘干，热风机温度控制在150℃，直到浇注时结束烘干；

2.7)浇注，浇注温度控制在1570℃～1590℃，浇注时间控制在1分钟，浇注时先从浇注流道4的上端浇口杯处注入钢液，先快后慢，等钢液上升至保温明冒口3大约1/3～1/2高度处时，停止浇注，在保温明冒口3中加入保温剂，改为从保温明冒口3浇注，浇满后再点浇2～3次；

2.8)开箱，浇注后35～40小时开箱，采用振动清砂，将空气包外壳1表面和内壁的粘砂清除干净，趁热切割保温明冒口3和浇注流道4，切割时温度控制在200℃～250℃；

2.9)一次喷砂，对空气包外壳1进行喷砂；

2.10)打磨和修复；

2.11)正火处理，对空气包外壳1进行高温正火处理，正火温度控制在900℃～930℃，时间控制为5～6小时；

2.12)二次喷砂，对空气包外壳1进行二次喷砂，即成。

后续工艺中，对毛坯进行磁粉探伤，若合格则送库存储，若不合格则根据情况修复。

本发明方法上述的步骤中，有以下几点需要特别注意：

1)利用凝固模拟CAE软件进行工艺优化设置并通过实际生产验证，寻求合理的空气包外壳1外表面加工余量，以实现顺序凝固的目的。

2)在空气包外壳1的开口端处设置两种不同规格的冷铁，达到合适激冷效果。

3)采用较高的保温明冒口3来达到增加压头的效果；

4)采用两层阶梯浇道，下层使用两道扁嘴鸭口管子砖，上层采用弯头管子砖通冒口。浇注时，浇注温度控制在1570℃～1590℃，浇注时间控制在1分钟左右，先从浇注流道4的上端浇口杯处注入钢液，先快后慢，待钢液上升至保温明冒口3大约1/3～1/2高度处时，停止浇注，在保温明冒口3中加入保温剂，改为从保温明冒口3浇注，浇满后再点浇2～3次；

5)制芯时在球形砂芯及芯头7心部使用草绳以减轻砂芯重量并达到利于浇注后砂芯有较好的退让性和排气性，减少毛坯缺陷。

6)采用碱酚醛树脂砂造型工艺，该树脂砂保温性能良好，能使铸件和冒口长时间处于液态高温态，能达到很好的补缩效果，以便形成致密组织。

实施例

制作KB-75空气包外壳，图号AK753501-0301B1。

试验第一阶段生产一批共5件，顺序号1301X、1302X、1303X、1304X、1305X，其中1304X、1305X两件进行解剖，对内表面进行磁粉和超声波探伤，探伤报告编号：BOMCO J69-MT-BE027-1306，BOMCO J68-UT-BE018-1306探伤结果：均合格。并对金相组织进行检验，热处理组织为：回火索氏体+上贝氏体，晶粒度：8级；铸造组织：珠光体+网状铁素体+块状铁素体，晶粒度大于1级，夹杂物A1.5，D1.0.其余3件经加工后探伤均合格。

试验第二阶段中，生产KB-75空气包外壳共180件，加工成活一次探伤合格率达99％，注水静压试验合格率100％，达到预期设置要求。

可见，本发明方法制作的承压用泥浆泵空气包外壳铸件，内壁尺寸精度达到设置要求，无需进行机械加工，解决了内壁加工困难的问题，节省了生产成本，完全能够取代锻造空气包外壳。

Claims (6)

1.一种承压用泥浆泵空气包外壳的铸造方法，其特征在于，按照以下步骤实施：

步骤1、工艺设置

1.1)选择空气包外壳(1)大口朝下的分型方案；

1.2)根据空气包外壳(1)的结构，对空气包外壳(1)外球面的加工余量层(2)进行优化设置；

1.3)制作空气包外壳(1)内腔的球形砂芯及芯头(7)，球形砂芯及芯头(7)中的砂芯材料选用碱酚醛树脂砂，同时制作相应的固定杆(10)；

1.4)在空气包外壳(1)顶端设置一个保温明冒口(3)；

1.5)在空气包外壳(1)开口端处设置两处冷铁，一处为冷铁二(6)，一处为冷铁一(5)，并设置合理间隙；

1.6)安装两层浇注流道(4)；

1.7)绘制工艺图纸；

步骤2、实施浇铸

2.1)按工艺图纸，制作空气包外壳(1)的实体模样(16)，同时制作球形砂芯及芯头(7)的木头芯盒；

2.2)按工艺图纸，将制作好的实体模样(16)、保温明冒口(3)、冷铁一(5)、冷铁二(6)和浇注流道(4)在下砂箱(12)及上砂箱(15)中分别造型，造型砂采用碱酚醛树脂砂，造型时应将型砂(13)捣实，检测型砂(13)的常温抗压强度应大于2.0MPa，待型砂(13)自硬化后，取出实体模样(16)形成型腔；

2.3)按工艺图纸，制作球形砂芯及芯头(7)，先加工砂芯骨架(8)，砂芯骨架(8)主杆采用钢管，在砂芯骨架(8)上按工艺图纸位置要求焊接圆环用来安装球形砂芯及芯头(7)的固定杆(10)，再根据芯盒的形状在砂芯骨架(8)上用钢筋焊接多处加强支架，制芯前在砂芯骨架(8)主杆上缠绕上草绳，摆放排气绳以保证排气孔(11)通畅，制芯时要将做好的砂芯骨架(8)放置在芯盒内合适位置；

2.4)喷刷涂料，涂刷做好的型腔和球形砂芯及芯头(7)；

2.5)合箱；

2.6)砂型烘烤，将型砂(13)在浇注前进行烘干，直到浇注时结束烘干；

2.7)浇注；

2.8)开箱；

2.9)一次喷砂，对空气包外壳(1)进行喷砂；

2.10)打磨和修复；

2.11)正火处理，对空气包外壳(1)进行高温正火处理，正火温度控制在900℃～930℃，时间控制为5～6小时；

2.12)二次喷砂，对空气包外壳(1)进行二次喷砂，即成。

2.根据权利要求1所述的承压用泥浆泵空气包外壳的铸造方法，其特征在于：所述的浇注流道(4)为两层，包括竖直的主浇道，下层为两道内浇道，上层为直通保温明冒口(3)的内浇道。

3.根据权利要求1所述的承压用泥浆泵空气包外壳的铸造方法，其特征在于：所述的步骤2.5)中，根据工艺图纸预先制作好一根固定杆(10)备用，下芯时，

首先，将硬化后的型砂(13)的排气孔(11)清理干净，用封箱泥条将排气孔(11)固定在球形砂芯及芯头(7)孔圈之内，在球形砂芯及芯头(7)芯头外壁处用石棉绳缠绕4圈；

然后，将制作好的球形砂芯及芯头(7)放置在造好的型腔内，调好位置后用固定杆(10)将球形砂芯及芯头(7)在下砂箱(12)底上固定，清理干净型腔残砂，最后扣合上砂箱(15)并进行固定。

4.根据权利要求1所述的承压用泥浆泵空气包外壳的铸造方法，其特征在于：所述的步骤2.7)中，浇注温度控制在1570℃～1590℃，浇注时间控制在1分钟，浇注时先从浇注流道(4)的上端浇口杯处注入钢液，先快后慢，等钢液上升至保温明冒口(3)高度1/3～1/2处时，停止浇注，在保温明冒口(3)中加入保温剂，改为从保温明冒口(3)浇注，浇满后再点浇2～3次。

5.根据权利要求1所述的承压用泥浆泵空气包外壳的铸造方法，其特征在于：所述的步骤2.8)中，浇注后35～40小时开箱，振动清砂，趁热切割保温明冒口(3)和浇注流道(4)，切割时温度控制在200℃～250℃。

6.根据权利要求1所述的承压用泥浆泵空气包外壳的铸造方法，其特征在于：所述的冷铁一(5)沿实体模样(16)开口端圆周外侧设置，冷铁二(6)沿开口端下表面设置。