往復式壓縮機用氣缸體工藝設計與生產實踐

李隆基

（開封空分集團有限公司，河南　開封　475000）

往復式壓縮機用氣缸體工藝設計與生產實踐

李隆基

（開封空分集團有限公司，河南開封475000）

通過對氣缸體鑄件的結構分析，針對其結構復雜、熱節點多、造型操作復雜等問題，確定氣缸體的鑄造工藝、熔煉工藝，探索氣缸體類鑄件球墨鑄鐵化的生產經驗。

往復式壓縮機；氣缸體；鑄造工藝；熔煉工藝

往復式壓縮機主要用于化工、空分設備的氧氣、氮氣、天然氣等氣體的壓縮。而氣缸體是往復式壓縮機的主要工作腔，想提高往復式壓縮機工作壓力，必須提升氣缸體的性能。但傳統的灰鑄鐵氣缸體，結構復雜，灰鑄鐵在流動性等方面的制約，性能提升有限，在此以球墨鑄鐵代替傳統的灰鑄鐵則可以繼續提升往復式壓縮機的工作壓力。

根據鑄件結構工藝性及技術要求，對灰鑄鐵氣缸體的工藝加以改進，通過鑄造工藝參數的選取，熔煉工藝參數的確定等，對氣缸體的鑄造工藝、熔煉工藝進行了探索性研究和針對性實踐，取得了良好的效果，為氣缸體類鑄件球墨鑄鐵化積累了大量經驗。

1　技術條件及結構工藝性

1.1主要技術要求

氣缸體鑄件牌號要求QT450-10；外形輪廓尺寸為1 743mm×1 460mm×1 180mm，結構左右基本對稱，毛坯重5 000kg；主要工作面缸徑摩擦面不得有任何鑄造缺陷，壁厚25～60mm；工作面要求硬度160-210HB；鑄件按照JB/ T 9104-2013容積式壓縮機用球墨鑄鐵件技術條件進行驗收。

1.2鑄造工藝性分析

氣缸體有以下特點：一是結構復雜，內腔不規整，腔體較多，砂芯較多，造型時以組芯造型為主；二是水道腔體與外界只有12個100～150mm的出砂孔相連，可以用作砂芯固定的孔只有6個，且在兩側，不足以承擔整個水道芯的重量，水道腔砂芯最小壁厚30mm，且結構復雜；三是產品工作壓力高，對整個鑄件的密封性要求高，試壓壓力符合設計要求；四是鑄件主要工作面缸徑摩擦面不得有任何鑄造缺陷。這4個特點給鑄造工藝設計與生產組織帶來了以下4個方面的難題。一是內腔死角及內壁相近的部分經常粘砂。水道芯工藝孔少，部分地方較薄，清理難，甚至有的地方工具無法到達，造成水道不通，零件工作時熱量不能及時排出。二是水道芯開裂、變形、壁厚不均。水道芯一側重一側輕，起吊、組芯時容易從中間薄弱處開裂，芯骨強度不足，造成變形、壁厚不均等，會造成報廢。三是鑄件易出現鑄造缺陷。水道、氣道等連接處，后座、各類孔洞接口處因加螺紋孔而增加的凸臺等處容易出現縮孔，鑄件上表面易出現夾渣，排氣不暢引起的氣孔缺陷等。四是鑄態條件下必須滿足設計要求的機械性能和工作面的硬度要求。受公司生產條件制約，無法進行正火處理，因此必須在鑄態條件下達到設計要求的性能要求。

這些都是氣缸體鑄件生產難點所在，必須在工藝設計時先予以考慮，在鑄件生產過程中加強控制。

2　鑄造工藝方案的確定

2.1澆注位置及分型面的確定

澆注位置是鑄造工藝設計的重要環節，關系到鑄件內在質量及尺寸精度。在綜合分析了氣缸體鑄件的左右基本對稱結構，灰鑄鐵氣缸體生產實際情況，選取平做立澆的工藝方案。

2.2工藝參數的確定

2.2.1鑄造收縮率與反變形量。鑄件的鑄造收縮率包括自由收縮和受阻收縮，其與鑄造合金的種類、鑄件結構、澆冒口系統結構、鑄型種類等因素有關，結構復雜的大型鑄件，其立體三維方向的線收縮率各不相同。氣缸體鑄件因其外部較為規整的特性，總體收縮率選為0.8%。鑄件內部結構復雜，且水道芯、氣道芯通過工藝孔固定在砂型上，在實際生產過程中發現氣道砂芯固定、水道芯骨等嚴重阻礙收縮，造成8個氣閥孔平面中間較四周高3～4mm，即中間和四周收縮率相差0.5%左右。因此，在此平面內外增加工藝補正量用來彌補加工量不足的情況。

2.2.2分型負數。根據砂箱、模型和灰鑄鐵氣缸體的生產實際，分型負數選定為3mm。

2.3砂芯設計

2.3.1水道芯的定位及固定。氣缸體水道芯因分型面的確定分為左右兩個，基本對稱，在長度方向上兩側出砂孔定位及固定，造型時需要隨形專用芯骨，芯骨隨砂芯從兩側出砂孔伸出，用專用工裝穿過砂型固定在砂箱外側，防止砂芯漂移。

2.3.2氣道芯的固定。氣道芯由圖1中左前側氣孔及右前側8個閥門孔定位，用專用工裝通過閥門孔與氣孔固定在砂箱外側。

2.3.3排氣系統設計。氣缸體的排氣系統在腔內根據腔體的結構形成5個排氣回路。水道芯因工藝孔較小且數量較少，采用專用氣繩固定在隨形芯骨上，隨同專用工裝通到砂箱外。氣道芯連接缸徑芯有8個類似牛角的小芯，這8個單獨的小芯通過氣繩與氣道芯相連。

2.3.4粘砂的解決。水道芯最薄的部分厚度只有30mm，且內部砂芯結構復雜，圓角或過渡部分較多，在刷涂料時先在易過熱、粘砂的地方刷一層鋯英粉涂料，之后再涂一層魚鱗片石墨涂料可基本解決粘砂問題。

2.4澆注系統設計

分析鑄件結構、分型面、澆注系統的選擇及重要工作面，選取半封閉式底注澆注系統，設φ80mm直澆道，澆注系統截面積比例關系按照∑Ag∶∑Acu∶∑As=1.0∶2.0∶1.3選取。氣缸體主要工作面為缸徑面，要求缸徑鏡面性能均勻，不得出現鑄造缺陷。因此，在設計內澆道時，采用類似于底雨淋式的內澆口設置方案，此方案可以讓充型平穩，熔渣不易粘附在缸徑側壁上，可有效防止夾渣、氣孔等鑄造缺陷。

2.5補縮系統及激冷系統的設計

氣缸體結構較為復雜，腔體較多，壁厚集中在25～40mm，因腔內相交致使熱節點較多。考慮采用頂明冒口與冷鐵相結合的方式，盡力使其同時凝固，解決鑄件的縮孔、縮松問題。同時，將氣缸體鑄件最厚的平面放置在上方，予以冒口補縮。氣缸體與機身體相連接處厚度達60mm、寬度100mm的環狀1 500mm×1 100mm的法蘭面。根據熱節大小，選取DR=φ120mm的頂明冒口8個。壁厚相交處、各類孔洞凸臺放置外冷鐵，增強補縮效果。

2.6熔煉工藝參數的確定

2.6.1化學成分的選定。選擇適當的化學成分是保證鑄件獲得良好的組織狀態和高性能的基本條件，化學成分的選擇既要有利于石墨的球化和獲得滿意的基體，以期獲得所要求的性能，又要逐漸有較好的鑄造性能［1］。氣缸體鑄件結構復雜，壁厚較厚，為減少夾渣、石墨漂浮等鑄造缺陷，又要保證足夠的流動性，不使其形成縮松與裂紋，同時查閱相關文獻，選取碳當量為4.3%左右較為適宜。QT450-10為鐵素體球墨鑄鐵，根據硅在球墨鑄鐵中細化晶粒的作用，控制碳硅含量為碳3.2%～3.6%、硅2.2%～2.4%。因受生產條件制約，需在鑄態條件下達到技術要求的機械性能，經過實驗對比，在爐前加入銅來提升抗拉強度及硬度，加入量為0.2%時，完全可以得到合格鑄件。

2.6.2孕育處理。鑄件要求機械性能穩定，組織致密，為獲得合格鑄件，在澆注前對鐵水進行多次孕育。經實踐驗證，出爐時隨流孕育加澆注時浮硅孕育效果最佳，得到的球化率可達到2～3級，石墨顆粒最小。適宜的化學成分及良好的孕育效果，生產出來的鑄件抗拉強度穩定在500MPa以上，延伸率12%以上，缸徑表面硬度穩定在180HB左右，完全符合機械性能要求。

3　結語

往復式壓縮機用球墨鑄鐵氣缸體鑄件在澆注時鐵液平穩，無嗆火現象。經生產加工驗證，鑄件組織致密，重要工作面無任何鑄造缺陷。產品幾何形狀尺寸、外觀表面質量等符合JB/T 9104-2013容積式壓縮機用球墨鑄鐵件技術條件。通過該鑄件的成功生產，探索出氣缸體類鑄件球墨鑄鐵化的工藝參數及經驗數據，為以后其他型號的氣缸體生產打下了堅實基礎。

［1］陸文華.鑄造合金極其熔煉［M］.北京：機械工業出版社，2010.

Process Design and Production Practice of Cylinder Block for Reciprocating Compressor

Li Longji
（Kaifeng Air Separation Group Co.Ltd.，Kaifeng Henan 475000）

Through the structure of cylinder block casting analysis，in view of the complex structure，the hot node，the complex shape operation and so on，the casting process and the smelting process of the cylinder block were determined，to explore the cylinder body casting of nodular cast iron production experience.

reciprocating compressor；cylinder block；casting process；smelting process

TH45

A

1003-5168（2016）07-0065-02

2016-06-13

李隆基（1988-），男，本科，助理工程師，研究方向：鑄造工藝設計與鑄鐵熔煉工藝制定。