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摘要：天然氣氣缸體鑄件結構復雜，壁厚差異大，鑄造工藝性差，極易出現各種鑄造缺陷，鑄件成品率低，直接影響到天然氣壓縮機整機的裝配進程。本文通過分析氣缸體鑄件結構及技術要求，設計鑄造工藝，采用ProCAST仿真模擬軟件進行流場、溫度場計算及優化，最終確定合理的工藝方案進行生產。經實際生產驗證，氣缸體各項檢驗結果均符合技術要求，最終確定了氣缸體生產工藝。

關鍵詞：氣缸體；ProCAST；鑄造工藝設計

氣缸體是天然氣壓縮機的關鍵部件，具有氣道和水道相隔的雙層結構，壁厚差異較大，抗滲要求高，局部空間狹小，鑄造工藝性差，因此氣缸體鑄件鑄造過程中各種缺陷頻發，主要缺陷有壓力試驗滲漏（氣道水道相通，活塞孔和螺孔組織縮松）、縮孔、夾砂夾渣、尺寸超差等，鑄件成品率極低，氣缸體鑄件的質量不僅大大影響了整機裝機進程，而且也額外增加了鑄件成本。

1氣缸體鑄件結構及技術要求

氣缸體鑄件輪廓尺寸1030mm×815mm×770mm，重量1330kg，最大壁厚95mm，最小壁厚35mm，兩側氣道兩兩分別貫通，其結構如圖1所示。材質要求是合金鑄鐵，化學成分（質量分數，%）為：3.2～3.4C，1.6～1.8Si，Mn≤0.9，P≤0.065，S≤0.12，0.25～0.35Mo，0.06～0.10Sn。準50mm單鑄試棒抗拉強度不小于280MPa，鑄件硬度要求為200～250HB，金相組織要求層狀珠光體，石墨形態為片狀并均勻分布，游離鐵素體不超過5%，金屬碳化物和磷共晶必須均勻分布，二者之和不超過5%。對氣道分別做水壓試驗，試驗壓力為4.6MPa，保壓30min，不得有滲漏現象。

2氣缸體鑄造工藝設計

2.1澆注方案設計

根據氣缸體外形和內部結構，并考慮現場操作的方便性以及鑄件外觀質量，決定外形由外模直接做出，不用泥芯做出，所以采用Half分型，澆注系統采用U型澆注，內澆道全部底注引入，氣缸體鑄造工藝簡圖見圖2。此分型方案存在如下問題：①中間主軸活塞孔芯是懸臂芯，有上浮偏心隱患；②兩側風道芯必須以分型面為界分成上下兩芯，中間披縫超過1mm，因空間狹小，局部死角披縫無法清理。針對以上問題，可采取如下解決措施：①中間主軸活塞孔芯芯頭加長，并做卡槽固定，下芯時用樣板檢查控制高度。②風道上下芯合箱拼芯時，必須平尺提前檢查處理拼芯面，保證拼芯面的平整度，減小披縫，上下芯拼好后用稠一點的涂料填縫以消除披縫，并烘烤、干燥。

2.2澆注系統設計

[1-2]（1）澆注時間：鑄件澆注重量約為1560kg，經計算，澆注時間約為41s。（2）澆注系統計算：選擇澆注系統截面比∑A1:∑A2:∑A3＝1:1.3:0.8（∑A1為直澆道截面積，∑A2為橫澆道截面積，∑A3為內澆口截面積）；引用均衡凝固技術大孔出流理論計算澆注系統內澆口截面積，選取流量因數μ1=0.58，μ2=0.60，μ3=0.48，計算平均壓頭hp=46.3cm，∑A3=37.6cm2，即內澆道采用圓柱形陶瓷澆道，直徑準28mm，數量為6個。直澆道截面積∑A1為47cm2，采用圓柱形直澆道，直徑準75mm。橫澆道截面積∑A2為30.5cm2，采用梯形截面橫澆道，46/54mm×60mm。

2.3熔煉工藝設計

[3-4]根據鑄件結構、技術要求、材質性能要求，參考化學成分要求以及以往經驗，最終化學成分確定如表1所示。爐料配比按HT2（其中廢鋼55%，回爐鐵45%，增碳劑1.7%～1.8%）執行，爐前孕育劑0.20%～0.25%，瞬時孕育劑0.10%～0.15%，澆注溫度1380～1420℃（考慮多箱澆注），型內保溫時間≥32h。

3ProCAST仿真模擬驗證

使用ProCAST模擬凝固軟件，計算鑄件澆注凝固時的流動場，溫度場，根據計算結果，判斷夾渣、冷隔、縮孔縮松等缺陷能否滿足質量要求。另外根據流動場計算結果，判斷澆注系統設計是否合理，是否有紊流，卷氣，卷渣現象；根據溫度場計算結果，確定冒口、冷鐵的布置、數量以及規格。

3.1流動場計算

流動場模擬計算結果如圖3、4所示，圖3為不同時刻鐵液流動速度，金屬液在型腔內充型平穩，未產生紊流。圖4為內澆道鐵液流速，內澆道鐵液流動速度為0.37m/s，流速<1m/s，鐵液流速正常。圖5為充型過程氧化夾渣情況，充型過程中型腔內鐵液上升平穩，充型結束后氧化夾渣集中在橫澆道末端，型腔內鐵液沒有出現氧化夾渣缺陷，因此澆注系統設計合理。

3.2溫度場計算

3.2.1初始計算初始計算是指鑄件不采取任何工藝措施（如：冷鐵、補縮冒口等）模擬計算凝固全過程，找出鑄件本身熱節，以及最終缺陷發生位置，為后續采取工藝措施提供方向。初始計算結果如圖6、7所示，鑄件在不采取任何工藝措施的情況下，在澆注位置的最上方發生凹陷，同時熱節處有縮孔缺陷。

3.2.2工藝優化及仿真計算根據初始計算結果，要保證鑄件外形輪廓完整和內部材質致密，工藝上必須采取相應的措施。首先，表面凹陷和熱節處縮孔缺陷，是液態補縮不足，需增加冒口進行補縮，其次，因鑄件有超高壓實驗要求，防止加工螺孔出現縮松缺陷而泄壓滲漏，在加工螺孔位置放置冷鐵，確保材質致密。根據模數法計算冒口尺寸，冒口體直徑為準150mm，冒口頸尺寸為準90mm，數量2個，冒口布置在中間主體外圓最高面，依長度放置2個，其中1個靠近熱節放置。冷鐵選用常規冷鐵放置，優化后的工藝方案如圖8所示。按優化后的工藝方案再次進行溫度場計算，其結果如圖9、10所示。從計算結果來看，鑄件基本實現順序凝固，最后的縮凹出現在冒口和直澆道內，冒口尺寸選取合理，冒口頸完成補縮后及時凝固被截斷，根部無縮孔縮松缺陷，鑄件形狀輪廓完整。從流動場和最后優化工藝方案的溫度場計算結果得知，氣缸體鑄件鑄造工藝方案設計合理，可以作為實際生產方案實施。

4生產驗證

按確定的工藝方案組織生產，從模具制作開始，造型、制芯、合箱、熔注等整個制造工序的過程參數完全按模擬凝固過程參數執行，尤其是澆注系統配比、冒口的規格和布置、化學成分、澆注溫度等重要參數。同時，前期制定工藝方案所提出的兩點工藝缺陷需要在合箱操作時特別關注，如圖11、12所示，通過采取控制措施予以彌補。首件樣件澆注后，清理修磨結束，按鑄件檢驗流程檢驗，包括外觀質量檢驗、全尺寸檢驗、材質機械性能硬度檢測，確認合格后，交由客戶加工驗證，打壓滲漏試驗驗證，均全部合格。

5結論

（1）從ProCAST流動場和最后優化工藝方案的溫度場計算結果得知，氣缸體鑄件鑄造工藝方案設計合理，能夠被金屬液流同步、平穩地導入型腔，冒口尺寸選取合理，冒口頸完成補縮后及時凝固被截斷，根部無縮孔縮松缺陷，鑄件形狀輪廓完整。（2）按確定的工藝方案組織生產，產品外觀質量、尺寸檢驗結果、機械性能及打壓滲漏試驗結果均符合技術要求。

參考文獻：

[1]魏兵，袁森，張衛華．鑄件均衡凝固技術及其應用[M]．北京：機械工業出版社，1998．

[2]中國機械工程學會鑄造分會．鑄造手冊-鑄造工藝[M]．第2版．北京：機械工業出版社，2003．

[3]李傳栻，李魁盛．鑄造技術應用手冊-第4卷鑄造工藝及造型材料[M]．北京：中國電力出版社，2012．

[4]柳百成，黃天佑．鑄造成形手冊上[M]．北京：化學工業出版社，2009：6

作者：馬利強 李顯洲 王永鋒 鞏紅濤 單位：秦川機床工具集團股份公司鑄造廠