张建云，陈 鑫，迟 彬，刘 贺，高剑彬

（沈阳鼓风机集团往复机有限公司，辽宁 沈阳 １１０８６９）

［摘 要］：在超高压往复式压缩机中，柱塞作为实现气体压缩的核心零部件，并与填料环配合实现超高压力的动态密封，对整个压缩机安全稳定运行有着决定性影响。目前部分国内应用企业尝试开展了部分超高压压缩机的备件国产化工作，并取得了一定成果，但柱塞的国产化替代还未实现突破。本文从柱塞的结构、材质、工作特性展开分析，探讨了柱塞国产化的全过程，包括原材料制备及后续精密加工，并通过实际制造验证了柱塞国产化的方法。

［关键词］：超高压往复压缩机；柱塞；碳化钨；国产化；制造

中图分类号：ＴＨ４５７ 文献标志码：Ｂ

文章编号：１００６－２９７１（２０２５）０２－００５８－０５

1引言

超高压压缩机作为高压聚乙烯装置的核心动力设备，负责将介质压力提升至 ３００ＭＰａ级别，以满足后续生产的需要。目前该类型的大型超高压压缩机，世界范围内仅有两家国外企业能够生产制造，属于高度技术垄断的设备。部分国内应用企业尝试开展该类型压缩机的备件国产化工作，也取得了局部突破。其中，完成压缩及密封的核心关键零部件柱塞由于其工作重要性、故障损失大、制造难度高等特点，目前还未实现国产化替代突破。

本文对超高压压缩机碳化钨柱塞的混料、烧结成型及后续精密加工等方面展开国产化的探讨。

2零件的结构与特点

２.１ 零件结构

往复压缩机的气体压缩是通过活塞与气缸配合形成压缩腔，活塞运动后造成容积变小，从而提升气体压力。随着压力的不断提升，缸径会逐渐减小，传统活塞结构中活塞环与支承环的设计制造难度有所增加。在这种情况下，取消活塞环与支承环，将活塞简化为柱塞的结构，并利用柱塞与气缸间的超小间隙实现压缩密封，就显现出了一定的优势。

在超高压压缩机的发展历程中，早期同样存在采用活塞环结构的活塞。活塞为组合式，整个组件通过螺母与活塞杆紧固组装在一起。结构如图１所示。

随着实际应用及化工工艺需求的发展，人们发现在 ２５０ＭＰａ排气压力以上高压工况中，该结构下活塞环的寿命明显下降，无法实现长周期的稳定运行。因此柱塞填料式逐渐成为超高压压缩机的主流。柱塞填料式结构将传统活塞简化为光滑简洁的柱塞结构，并配合超高压填料实现动态密封。

２.２ 柱塞工作特性与特点

前面已经提到气体的增压是通过柱塞的运动改变压缩腔的容积来实现，因此柱塞承受的是压载荷，并且随着吸、排气过程的不断循环，压载荷存在一定程度的波动。因此柱塞需要足够的抗压强度与较大的刚度，以保证运行的稳定性。

另外在超高压力密封条件下，金属密封环对柱塞施加了强大的接触应力，这也要求柱塞有足够的表面硬度，避免磨损过快或滋生表面缺陷造成大的事故。

基于以上特点，烧结碳化钨具有极高抗压强度、大弹性模量、高表面硬度的特点使其成为了柱塞材质的最优选择。

3原材料制备过程国产化

碳化钨制品的原材料制备过程主要包括混料、压制、烧结 ３个过程，每个阶段对最终成品的性能都是至关重要的。

３.１ 混料过程

混料首先需要确定成分的配比、晶粒度等级，通过对现场已成功服役的碳化钨柱塞进行取样分析，我们可知柱塞主要为碳化钨与钴的混合物，钴在硬质合金制品中作为粘接剂存在，钴含量约在１１％左右，平均晶粒度约为 １.０μｍ，钴在硬质合金中分布均匀性一般。

同时通过硬质合金企业相近配比与晶粒等级的成品性能与取样分析结果对比，其主要性能基本吻合。比如抗压强度≥２８００ＭＰａ，硬度≥ＨＶ１３００，弹性模量约为 ５４０ＧＰａ。同时结合柱塞工作条件来看，上述指标也满足了柱塞强度、刚度及耐磨性的需求。

通过与市场主流的硬质合金对比，目前常见的一些牌号成分配比、晶粒度等级及硬度如表１所示。

由此可知超高压压缩机柱塞的成分配比属于硬质合金中的常见比例，晶粒度等级处于中间档水平，混料程度一般，常规滚筒式混料即可满足要求。由此可见，柱塞的混料过程不存在国产化难点，且容易实现。

３.２ 压制过程

硬质合金压制过程最常见的是挤压法和冷压法。其中挤压法过程相对简单，由挤压设备将混合的粉料及成型剂挤出，可直接挤出为棒状胚料。但由于生产设备原料单桶最多 ２００ｋｇ，无法一次挤压出柱塞产品胚料；另外挤压法粉料中有含水材料，硬度过软不利于柱塞此类大型零件的转置，因此挤压法不适合于柱塞生产。

冷压法则是在外部压力的作用下，首先克服粉末间的空隙减小；随着压力的进一步提高，粉末颗粒会发生严重形变与破裂，同时在摩擦力的作用下粉末颗粒会发生一定程度的原子扩散，促使粉末间的结合进一步加强。压制结束后，就可得到具有一定强度与密度的胚料。常见的冷压分为单向加压、双向加压、浮动加压等方式，为了使柱塞胚料获得更好的致密性，选择采用冷等静压方式成型。由于柱塞的整体结构简单，尤其在压制阶段为普通圆柱形，采用等静压机来实现柱塞的粉料压制最为合适。

冷等静压又可分为干袋式等静压与湿袋式等静压，湿袋法主要使用于大规格板或高度不超过２００ｍｍ的圆柱，一般加压成型后放入袋中抽真空再放入 ＣＩＰ提高产品致密性。干袋式等静压产品可压制大尺寸棒材，只含蜡不含水，便于转置于碳板半烧或直接烧结。由此可见，采用干袋式静等压技术压制柱塞粉料是更适宜的。

压制完成后，就需要对柱塞胚料进行简单加工，以减少烧结后加工量，此过程相对简单，主要注意在加工过程中不破坏胚料的致密性即可。

通过上述压制工艺分析，整体流程是常规的，但在国产化实际执行中，也发现了局部堵点。主要由于柱塞的直径接近 １５０ｍｍ，长度接近 １５００ｍｍ，

该规格尺寸在硬质合金中属于超大尺寸的制品，这就对生产制造的设备提出了更高要求，其中干袋式静等压设备的能力就是该过程的堵点。好在该设备的已有成熟型号覆盖柱塞压制的需求，通过增购设备后解决了国产化难点。

３.３ 烧结过程

经过压制后，柱塞胚料已具备一定的机械性能与致密性，但这仅是简单的粉末颗粒机械咬合状态，性能与目标需求值相去甚远，因此需要对胚料进行烧结。通过在一定的温度与压力下，使粉末颗粒间相互粘接、进一步收缩致密化。将胚料的粉末间结合状态转化为晶粒间的聚合体，实现胚料内部的物质迁移，最终基本消除柱塞中的孔隙，微观组织均匀紧密，强度与密度大幅提高。

目前常见的烧结方式包括常压烧结、热压烧结、微波烧结、放电等离子烧结等。常压烧结由于其晶粒异常生长，质量不稳定，不适合于碳化钨硬质合金的烧结；微波烧结技术工业化尚不成熟；放电等离子烧结由于制品尺寸的限制也难以应用。因此目前硬质合金行业最常见的是将真空与热压烧结相结合真空热压烧结，该技术可以减少了大气中有害物质 （如水、氧气、氮气和其他杂质）的污染，从而避免了脱碳、渗碳、还原、氧化和氮化等不良反应；同时以高压气体作为压力介质作用于柱塞胚料，使其在加压过程中经受各向均衡的压力，借助于高温和高压的共同作用达到材料致密化。

目前国内真空热压烧结设备的能力已经可以达到单炉 １７００ｋｇ，尺寸最大 ２.４ｍ，完全满足柱塞烧结的需求。

３.４ 半烧工艺

前面 已 经 提 过 碳 化 钨 烧 结 完 成 后，硬 度 ≥ＨＶ１３００，要想在该硬度条件下对其进行加工是非常困难的。柱塞上还有配合定位用的斜面及加工工艺所需的中心孔，如果这些加工工序都设置在完整的圆柱柱塞胚料烧结完成后，那么整体加工量大、加工工时长，经济性及效率都较差。

因此，在完全烧结前，对柱塞胚料开展预烧结，使其获得一定的致密性及机械强度，但硬度控制在 ＨＲＣ４０以下，与最终烧结完成的尺寸变化量控制在 ２０％ ～２５％以内。这时对半烧完成的柱塞进行机械加工，将斜面、中心孔、缩径等位置的尺寸加工到一定尺寸。此后再继续开展真空热压烧结，使其达到最终的性能要求。由于设置了半烧工序，在半烧过程中对柱塞胚料含碳量的控制、碳量与钴磁的控制也是该工艺的核心控制点。

4精密制造国产化

４.１ 碳化钨柱塞加工位置、要求

之前已介绍过，柱塞的结构较为简单，但由于其是整体碳化钨烧结而成，硬度极高，因此加工也非常困难。同时在超高压力及其产生的负载之下运行，柱塞必须时刻保持良好的对中性能，否则会对机组稳定性会产生严重影响。另外为保证密封环的使用寿命，同时避免运行产生过高的摩擦热，柱塞表面粗糙度需要达到较高的精度等级。因此柱塞的加工制造必须在克服高硬度的前提下，还保证超高精度的制造质量。

柱塞的加工首先要保证 １５°的内、外配合斜面精度，这对柱塞的对中性能是至关重要的；另外Ｒ２０过渡圆角和 Ｒ２过渡圆角，加工形状复杂。但却可以有效减缓柱塞的应力集中问题；而外圆圆跳动、圆度、同轴度要求达到 ０.０１ｍｍ级别，端面与斜面跳动 ０.０１ｍｍ 级别，摩擦表面粗糙度要求Ｒａ０.０１级别，这些都是柱塞加工制造的核心关注项。

４.２ 加工过程探讨

首先通过采购整体碳化钨材质的试件，进行工艺试验。根据试件的上车床试验结果，车刀加工不动，加工过程中不断振刀，加工不稳定，这决定了加工设备只能是磨床，并使用金刚石砂轮进行磨削加工。

针对柱塞的柱形结构和端面的加工要求，通常使用端面外圆磨床进行加工，利用端面外圆砂轮进行柱塞端面和外圆的分别加工，外圆的极高粗糙度要求则需要磨床配备抛光轮来实现。而针对配合斜面，通常的磨削手段有如下三种：

（１）磨床的工作台摆成相应角度，依靠普通外圆砂轮纵向进给完成磨削。但是由于柱塞的配合斜面有 １５°，角度过大，一般磨床工作台的摆动角度最大也只有 ５°左右，且工作台越长，摆动角度越小。而且工作台摆动角度无法做到十分精确，不利于保证斜面的加工质量。所以这种方法不适用于柱塞斜面加工。

（２）使用成型砂轮，直接将砂轮修成相应形状，纵向进给完成磨削。但成型的金刚石砂轮需要配套一副成型的碳化硅修整轮进行修整，若随后角度更改，则需要重新订购相应角度的成型修整轮，容易造成结构僵化。

（３）使用普通外圆砂轮，砂轮主轴回转一定角度，利用插补程序斜向进给实现磨削。而这种方法只需要砂轮主轴可回转即可，对砂轮也没有特殊要求。

针对 Ｒ２０过渡圆角，则只能使用成型砂轮纵向进给磨削。而针对 Ｒ２过渡凸圆角，若采用成型砂轮，则需要修整成 Ｒ２的凹圆角进行磨削，由于 Ｒ２角度太小，成型砂轮加工困难。可采用砂轮回转的方式将 Ｒ２分成 ３～５段过渡斜面进行加工，再由人工打磨保证无尖角，避免应力集中。

综上所述，为了满足柱塞加工要求，一共最少需要 ３个砂轮 （一个端面外圆砂轮、一个一侧为Ｒ２０的成型砂轮，一个普通外圆砂轮）和 １个抛光轮。并且考虑到加工成本和加工效率，避免加工过程中频繁更换砂轮，端面外圆磨床的砂轮架需要可回转并可同时配备多个砂轮。

通过前期与国内外磨床厂家的技术交流，国内某厂家端面外圆复合磨床以其高精度、较大的价格优势进入我们的视线。并且通过一年多时间的技术准备、设备调整和砂轮采购，对柱塞试件进行了试加工，加工工序如下：

４.２.１ 序一

如图 ２和图 ３所示，第一序首先进行小头端的磨削，设备需配备 Ｔ１成型砂轮、Ｔ２端面外圆砂轮、Ｔ３外圆砂轮。

Ｔ１成型砂轮一侧修成 Ｒ２０圆角，一侧修成 １５°斜面，用来磨削中间过渡部分外圆、Ｒ２０圆角及１５°锥面；Ｔ２端面外圆砂轮用来磨削小头端端面和

外圆；Ｔ３外圆砂轮用来磨削 １５°外锥面；另外各面之间过渡圆角 Ｒ２由各砂轮旋转一定角度切 ３－５次保证无尖角，后由人工打磨均匀。各面均磨削至

Ｒａ０.２。

４.２.２ 序二

如图 ４和图 ５所示，工件掉头装夹，设备配备砂轮不变。Ｔ２端面外圆砂轮用来磨削大头端端面和外圆；Ｔ３外圆砂轮用来磨削 １５°外锥面；同样的，各面之间过渡圆角 Ｒ２由各砂轮旋转一定角度切 ３～５次保证无尖角，后由人工打磨均匀。各面均磨削至 Ｒａ０.２。

４.２.３ 序三

此序需要更换砂轮。如图 ６所示，更换 Ｔ２′细金刚石砂轮和 Ｔ３′抛光轮。使用 Ｔ２′细金刚石砂轮磨削大头端外圆至 Ｒａ０.０５，并磨削至成品尺寸；然后使用 Ｔ３′抛光轮将外圆抛光至 Ｒａ０.０１。

４.３ 专用设备开发

通过上述试验，定制国内专业化开发的复合磨床，并继续提升技术细节，可正好的保证柱塞的加工质量。专用磨床采用西门子数控系统分别控制砂轮架的进给、回转和工作台的移动。最大磨削直径５００ｍｍ，最大磨削长度 １５００ｍｍ，最大工件重量５００ｋｇ。机床 Ｘ轴定位精度 ０.００４ｍｍ，Ｘ轴重复定位精度 ０.００２ｍｍ，Ｚ轴定位精度 ０.００８ｍｍ，Ｚ轴重复定位精度 ０.００５ｍｍ。而且根据上述加工过程，磨削柱塞需要 １个成型砂轮、１个端面外圆砂轮、１个粗金刚石外圆砂轮、１个细金刚石外圆砂轮和 １个抛光轮。成型金刚石采用金刚滚轮插补修整，外圆金刚石砂轮采用碳化硅砂轮修整。

复合磨床的砂轮架上可配备 ３个砂轮，通过砂轮架的回转分别使用 ３个砂轮，加工过程中只需要更换一次砂轮就可以满足柱塞加工要求，从而避免了加工过程中多次更换砂轮，影响加工效率。复合磨床砂轮转塔回转角度 ２２５°，回转分辨率可达０.０００１ｍｍ，可以精确控制砂轮架的回转角度，从而保证配合斜面的精度。

5结论

超高压压缩机柱塞的国产化突破，是压缩机整机国产化的一个重要组成部分，也将为在役机组提供更经济、更便捷的备件资源，为业主的经济、高效、可控运行提供新选择。