制冷螺桿壓縮機轉(zhuǎn)子材料及加工技術(shù)研究與應(yīng)用

唐華敏 黃澤堅

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519000）

引言

螺桿制冷壓縮機是螺桿機組的核心零部件，由陰陽轉(zhuǎn)子相互嚙合完成工作過程。壓縮機具有零部件少，結(jié)構(gòu)簡單，能夠承受重載荷，運行穩(wěn)定，抗液擊能力強的特點。壓縮機的技術(shù)難度大，加工制造要求高，我司經(jīng)過多年的研究及技術(shù)沉淀，在國產(chǎn)冷水機組品牌中率先實現(xiàn)這一核心產(chǎn)品的自主化，并擁有數(shù)百項專利。目前已廣泛應(yīng)用于各類世博園區(qū)、體育場館、制藥行業(yè)、大型地鐵等項目。

在保證螺桿壓縮機可靠性的前提下，結(jié)合行業(yè)調(diào)研，項目從轉(zhuǎn)子毛坯原材料、加工余量和加工工藝等方面進行技術(shù)研究和試驗驗證，以達到降低螺桿轉(zhuǎn)子生產(chǎn)成本、縮短生產(chǎn)周期的目的。

1 理論分析

1.1 項目實施框架圖

該項目從標(biāo)準(zhǔn)文件制定、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、工藝優(yōu)化三個方面入手，通過積累實驗驗證數(shù)據(jù)，進行轉(zhuǎn)子材料及加工技術(shù)研究。

1.2 確認(rèn)轉(zhuǎn)子驗證的螺桿壓縮機系列

選取LG550-860區(qū)間4個主打機型（LG550NB、LG675NBA、LG700NB、LG860NB），每個機型小批 5臺進行驗證。

1.3 驗證前檢驗項目

首先從轉(zhuǎn)子材料、加工可行性方面進行分析。

1.3.1 材料重量檢驗：

對鑄件轉(zhuǎn)子來料重量偏差進行檢驗：

鑄件轉(zhuǎn)子理論公稱重量10～40 kg，重量公差± 8 %，LG860NB轉(zhuǎn)子實測重量40.08 kg，單項判定結(jié)論合格。

1.3.2 材料成分檢驗：

對鑄件轉(zhuǎn)子材料成分進行檢驗，主要檢測RoHS指令限制有毒有害物質(zhì)成分，如鉛、鎘、汞、六價鉻、聚溴聯(lián)苯、聚溴二苯醚等物質(zhì)，根據(jù)實測值，測量結(jié)果均在最大允許濃度范圍內(nèi)，單項判定合格，如圖2所示。

圖1 項目實施框架圖

圖2 鑄件轉(zhuǎn)子材料成分檢驗

1.3.3 金相組織檢驗：

對鑄件轉(zhuǎn)子材料金相組織成分進行檢驗，要求珠光體 ≥ 50 %，磷共晶 + 滲碳體 ≤ 5 %，其余為鐵素體。在轉(zhuǎn)子截面的芯部（占轉(zhuǎn)子截面面積20 %以內(nèi)范圍），球化率為6級；其余80 %范圍，球化率為4級以上。符合設(shè)計要求。

1.3.4 加工可行性驗證：

鑄件轉(zhuǎn)子參照鍛件轉(zhuǎn)子的圖紙進行加工。

鑄件轉(zhuǎn)子加工后，上精密三坐標(biāo)，測量加工尺寸變化。按照設(shè)計圖紙，同心度要求最高0.008 mm，實測0.002 7 mm；圓柱度要求0.005 mm，實測0.000 8 mm；垂直度要求0.012 mm，實測0.000 7 mm。

符合圖紙要求，如圖3所示。

圖3 鑄件轉(zhuǎn)子加工尺寸檢驗報告

三坐標(biāo)測量實際加工尺寸與圖紙偏差，均在圖紙公差范圍內(nèi)，加工可靠。

通過上述驗證方案，從轉(zhuǎn)子材料檢驗、加工可行性方面驗證了鑄件轉(zhuǎn)子材料的可靠性。

2 實驗驗證

從LG550-LG860，選取了4個主打機型，從性能實驗、噪音、振動、運行范圍、測試后拆檢情況五個維度，驗證鑄件轉(zhuǎn)子在商用空調(diào)應(yīng)用的可行性。

2.1 性能實驗

主要測試工況：5/36,過熱5 ℃。LG675NBA，COP（能效比）較鍛件轉(zhuǎn)子增長0.6 %；LG550NB，COP（能效比）較鍛件轉(zhuǎn)子下降2 %；LG700NB，COP（能效比）較鍛件轉(zhuǎn)子增長1.5 %；LG860NBA，COP（能效比）較鍛件轉(zhuǎn)子相當(dāng)。

從以上數(shù)據(jù)分析，鑄件轉(zhuǎn)子性能與參考機型差異較小，部分機型數(shù)據(jù)優(yōu)于鍛件轉(zhuǎn)子。如圖4所示。

圖4 鑄件轉(zhuǎn)子與鍛件轉(zhuǎn)子性能實驗差異對比

2.2 噪音情況

分別從前、后、左、右四個支腳方向進行噪音測量。

LG675NBA：鍛件轉(zhuǎn)子噪音在84.8～85.4 dB,鑄件轉(zhuǎn)子噪音在86.5～90.2 dB，噪音稍微偏大。由于實驗室該機型以往鍛件轉(zhuǎn)子僅一份有噪音數(shù)據(jù)，因此可能是個體差異，僅提供參考。

LG550NB：鍛件轉(zhuǎn)子噪音在84.7～89.3 dB，鑄件轉(zhuǎn)子噪音在81.4～84.7 dB，噪音有所降低，且滿足企標(biāo)要求。

LG700NB: 鍛件轉(zhuǎn)子噪音在79～83 dB，鑄件轉(zhuǎn)子噪音在78.6～86.4 dB，噪音變化不大，且滿足企標(biāo)要求。

LG860NBA：早期LG860Nb評審名義工況噪音測試工況為5/38 ℃，鑄件轉(zhuǎn)子噪音數(shù)據(jù)采集工況為5/36 ℃，因此噪音數(shù)據(jù)無法對比。鑄件轉(zhuǎn)子噪音在83.2～87.8 dB，滿足企標(biāo)要求。如圖5所示。

圖5 鑄件轉(zhuǎn)子與鍛件轉(zhuǎn)子噪音實驗對比

從以上數(shù)據(jù)分析：鑄件轉(zhuǎn)子前、后、左、右四個方向噪音基本能控制在企標(biāo)范圍內(nèi)。

2.3 振動測試

分別從前、后、左、右、吸氣法蘭、排氣法蘭共六個位置，進行振動測量。

LG675NBA：鑄件轉(zhuǎn)子支腳位置振幅在0.003～0.004 mm，吸、排氣法蘭位置在0.005～0.014 mm；

LG550NB：鑄件轉(zhuǎn)子支腳位置振幅在0.003～0.004 mm，吸、排氣法蘭位置在0.015-0.019 mm；

LG700NB: 鑄件轉(zhuǎn)子支腳位置振幅在0.003～0.004 mm，吸、排氣法蘭位置均在0.011 mm；

LG860NBA：鑄件轉(zhuǎn)子支腳位置振幅在0.003～0.004 mm，吸、排氣法蘭位置在0.01 0～0.012 mm。

從以上數(shù)據(jù)分析，鑄件轉(zhuǎn)子支腳位置振幅均在0.003～0.004 mm，吸、排氣法蘭處在0.005～0.019 mm，符合企標(biāo)范圍。

2.4 運行范圍情況

LG675NBA：壓縮機按照鍛件轉(zhuǎn)子675NBA壓縮機的運行范圍運行，可達到極限范圍點：A點（蒸發(fā)溫度12 ℃，冷凝溫度60 ℃）、B點（蒸發(fā)溫度3 ℃，冷凝溫度60 ℃）、C點（蒸發(fā)溫度-15 ℃，冷凝溫度45 ℃）；

LG550NB：壓縮機按照企標(biāo)要求運行范圍運行，可達到極限范圍點：A點（蒸發(fā)溫度12.5 ℃，冷凝溫度60 ℃）、B點（蒸發(fā)溫度0 ℃，冷凝溫度60 ℃）、C點（蒸發(fā)溫度-15 ℃，冷凝溫度46 ℃）；

圖6 鑄件轉(zhuǎn)子與鍛件轉(zhuǎn)子振動實驗對比

LG700NB:壓縮機按照企標(biāo)要求運行范圍運行，可達到極限范圍點：A點（蒸發(fā)溫度12.5 ℃，冷凝溫度60 ℃）、B點（蒸發(fā)溫度-5 ℃，冷凝溫度60 ℃）、C點（蒸發(fā)溫度-15 ℃，冷凝溫度51 ℃）；

LG860NBA：壓縮機按照企標(biāo)要求運行范圍運行，可達到極限范圍點：A點（蒸發(fā)溫度12.5 ℃，冷凝溫度60 ℃）、B點（蒸發(fā)溫度-4 ℃，冷凝溫度60 ℃）、C點（蒸發(fā)溫度-15 ℃，冷凝溫度49 ℃）。

具體數(shù)據(jù)如圖7所示。通過以上實驗數(shù)據(jù)分析，鑄件轉(zhuǎn)子按照企標(biāo)范圍運行，可達到極限范圍點。

圖7 鑄件轉(zhuǎn)子與鍛件轉(zhuǎn)子運行范圍實驗對比

2.5 測試后拆檢情況

四個機型經(jīng)過上述性能、噪音振動、可靠性測試后，進行逐一拆檢，均無異常。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 技術(shù)難點

1）鑄件轉(zhuǎn)子加工成品，長期放置后是否產(chǎn)生尺寸變化？變化是否在合格范圍內(nèi)？需要進一步數(shù)據(jù)驗證。

2）型線磨、外圓磨削工序：機床加工穩(wěn)定性、零件加工精度需要批量驗證，加工磨削過程存在過濾問題，是否會導(dǎo)致質(zhì)量不穩(wěn)定？

3）后續(xù)批量生產(chǎn)鑄件轉(zhuǎn)子的入廠檢驗方案，是否每件轉(zhuǎn)子鑄件材料都需進行檢驗？

4）轉(zhuǎn)子開粗型線時，粉塵過多，而型線銑床為敞開結(jié)構(gòu)，粉塵會散到車間內(nèi)空氣中，是否有環(huán)保解決方案？

3.2 解決方法

1）鑄件轉(zhuǎn)子型線定型后，每個系列多備2臺轉(zhuǎn)子，靜置、定期檢測確認(rèn)，記錄數(shù)據(jù)變化；

2）通過行業(yè)及相關(guān)文獻調(diào)研，硅藻土可以吸附磨削出來的鐵粉，需在磨床設(shè)備增加硅藻土作為工藝輔料，凈化粉末；

3）要求每根轉(zhuǎn)子材料入廠執(zhí)行全檢要求，輸出檢驗報告；增加到《離心、螺桿壓縮機配件鑄件檢驗規(guī)范》中，關(guān)于QT600-3轉(zhuǎn)子鑄件材料的機械性能標(biāo)準(zhǔn)；

4）改造型線銑床，增加除塵裝置。

3.3 項目投入成本

新增銑床改造、硅藻土吸附材料、以及鑄件砂輪投入，預(yù)計4.3 萬元，整體投入成本較低（如圖8）。

圖8 增加投入項目清單及成本

3.4 項目成效

3.4.1 縮短制造周期，提升制造效率

1）通過優(yōu)化轉(zhuǎn)子毛坯尺寸，減少加工量，縮短了加工工時，同時降低了設(shè)備損耗；如圖9所示，軸向尺寸1 034 mm，通過毛坯調(diào)整后，縮短為1 002 mm，整體縮短了32 mm，優(yōu)化了材料余量，縮短了加工工時；

圖9 鑄件轉(zhuǎn)子與鍛件轉(zhuǎn)子余量、工序?qū)Ρ?/p>

2）更改為鑄造后，取消發(fā)外熱處理工序，整體縮短制造周期40 %以上；

3）經(jīng)過該項目開展，螺桿轉(zhuǎn)子日產(chǎn)能提升33 %以上。

3.4.2 降低制造成本

轉(zhuǎn)子材料由鍛件改為鑄件，不僅降低采購成本，還節(jié)省熱處理成本；按照年度 3 600 臺螺桿壓縮機計算，預(yù)計年度降低成本約413.3 萬元。隨著產(chǎn)能的逐步提升，這個降成本金額可進一步增長。如圖10，以LG860NB陰轉(zhuǎn)子為例，更改為鑄件轉(zhuǎn)子后，較鋼件轉(zhuǎn)子，單件可節(jié)省1 793元。

圖10 鑄件轉(zhuǎn)子與鍛件轉(zhuǎn)子成本差異

4 結(jié)論

螺桿轉(zhuǎn)子是螺桿壓縮機的核心部件，轉(zhuǎn)子的制造精度直接決定了壓縮機甚至整機的能效。通過該項目的開展，一方面，保證了轉(zhuǎn)子制造的可靠性，另一方面，也大幅降低了轉(zhuǎn)子的制造成本。轉(zhuǎn)子整體制造周期縮短了40 %，日產(chǎn)能提升了33 %以上，每年可為企業(yè)節(jié)省數(shù)百萬的制造成本。同時，通過該項目的開展，也沉淀了《鑄件砂輪壽命管理規(guī)范》 、《鑄件轉(zhuǎn)子加工工藝規(guī)范》等技術(shù)文檔，為后續(xù)技術(shù)改進奠定基礎(chǔ)。

鑄件轉(zhuǎn)子在水冷壓縮機驗證取得成功，加工、檢測及壓縮機測試數(shù)據(jù)非常穩(wěn)定，可靠性高，加工效率得到大幅提升，成本優(yōu)勢明顯； 已全面推行至風(fēng)冷、變頻等全系列螺桿壓縮機，將會持續(xù)帶來可觀收益。該項目有效提升了產(chǎn)品競爭力，加速了國產(chǎn)冷水機組品牌核心部件的自主化進程，為進一步拓展各類大型商用市場奠定了基礎(chǔ)。