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《China Foundry》2016年第5期

摘要:

闡述了聯(lián)體氣缸蓋鑄造工藝開發(fā)過程中的要點，包括鑄造工藝設計和工藝流程設計兩方面；對鑄造收縮率、澆注系統(tǒng)等工藝設計及制芯、組芯、浸涂工序等流程設計要點進行了重點介紹。

關鍵詞:

氣缸蓋；工藝設計；工藝流程

隨著人們環(huán)保意識的日漸提高，柴油機排放標準越來越嚴格；歐洲已于2013年底施行歐Ⅵ排放標準。我國柴油發(fā)動機排放標準緊跟歐洲，將全面實施國Ⅳ排放標準，國Ⅴ甚至國Ⅵ標準也在不遠的將來推行。濰柴WP10產品雖然占據了較大的市場份額，但作為一款老牌產品，其競爭優(yōu)勢在逐漸減少。為做好技術儲備，保證未來5～15年內的競爭力，開發(fā)面向未來市場、性能先進的柴油機對我廠今后的持續(xù)高速發(fā)展意義重大。

1聯(lián)體氣缸蓋結構分析

H1柴油機是全新平臺柴油機，最高爆發(fā)壓力200×105Pa，缸徑116mm，缸心距144mm。因此H1氣缸蓋設計為四氣門聯(lián)體氣缸蓋（如圖1所示），外觀尺寸969×348×135（mm）,材料為HT325。H1氣缸蓋結構復雜，壁厚差別較大（如圖2所示）。進氣側存在螺栓搭子與氣門導管搭子連到一塊的厚大部位，可能會在鑄件上形成縮松缺陷。進氣管壁厚5.5mm，且不易放置冒口補縮。上水夾層共20個工藝孔、6個噴油器孔及6個串水孔；下水夾層1個工藝孔、4個串水孔；滿足鑄造工藝清理及砂芯固定要求。上、下水夾層結構如圖3所示。

2鑄造工藝設計

2.1鑄造收縮率

鑄造收縮率是所有鑄造工藝中最基本的工藝參數之一。在工藝設計時鑄造收縮率選擇的正確與否直接影響鑄件的尺寸精度和幾何形狀精度。鑄造收縮率主要與鑄造合金成分和砂型、型芯阻力有關，此外還與鑄件結構復雜程度、壁厚大小等多種因素有關[1]。本文通過對本公司現生產的類似缸蓋進行多次統(tǒng)計分析發(fā)現1%鑄造收縮率偏小，H1氣缸蓋鑄造收縮率設計為1.1％。考慮到進氣道芯、上水夾層芯為整體長尺寸覆膜砂熱芯，鑄造收縮率設計為1.0%；同時，因為大尺寸熱芯盒制芯過程中芯盒本體發(fā)生線性膨脹，砂芯鑄造收縮率設計時需要考慮熱芯盒的線膨脹系數。工藝驗證過程中按上述收縮率設計的H1氣缸蓋加工、劃線尺寸合格。

2.2澆注系統(tǒng)設計

針對H1氣缸蓋的結構特點，采用立澆工藝，將進氣管側放置在砂箱底部。兩層內澆口設計在螺栓搭子位置，避免鐵液沖刷砂芯；底層內澆口盡可能靠近底部，平衡底部薄壁進氣管處溫度場，如圖4所示。

2.2.1阻流截面確定

鑄件毛坯質量390kg，壁厚5.5mm，澆注平均壓力頭520×9.8Pa，采用索伯列夫圖表法初步確定阻流截面積為21cm2。澆注系統(tǒng)各組元截面設計比例為F直∶F橫∶F內=1.1∶1∶1.6，先封閉后開放，既有利于擋渣，又使充型平穩(wěn)。根據上述澆注系統(tǒng)截面積設計，完成充型模擬三維，經Anycasting軟件模擬充型時間為32s，澆注時間過長；加大阻流面積至30cm2，充型時間26s，如圖5所示。最終確定H1氣缸蓋阻流截面積為30cm2。

2.2.2階梯式澆注設計

設計階梯式澆注系統(tǒng)，底層內澆口截面積為28.14cm2，接近阻流截面積，解決以前澆注系統(tǒng)設計時雖然設計兩層內澆口但同時進鐵液的問題。模擬結果顯示8s時僅底層內澆口進鐵液，至16s時澆注液面上升到距離上層內澆口約35mm處上層內澆口開始進鐵液（如圖6所示）。

2.3砂芯設計

砂芯設計時既要要考慮砂芯間隙、定位、排氣、固定等工藝因素，還要考慮生產現場的設備能力及與其它產品工藝裝備共用的問題。

2.3.1砂芯種類

根據產品結構特點，每個缸蓋設計為1顆底盤芯、1顆上蓋芯、6顆下夾層芯、6顆排氣道芯、1顆進氣道芯、1顆上夾層芯、1顆1#長條芯、1顆2#長條芯、1顆前短邊芯、1顆后短邊芯、2顆定位芯共11種22顆砂芯（如圖7所示）。將H1缸蓋長條芯（總長度930mm）分為1#長條芯、2#長條芯，并采用一圓芯頭與另一端芯頭的兩側面固定；保證了砂芯均在同一車間制芯工部生產，方便生產管理與有序組織。

2.3.2芯頭設計

下夾層芯、排氣道芯等單體砂芯的芯頭間隙設計為0.2mm；進氣道芯、上夾層芯等整體砂芯的定位芯頭間隙設計為0.3mm，非定位芯頭間隙0.5mm；不同的間隙設計既實現了下芯方便又保證了鑄件尺寸精度。

3工藝流程設計

根據車間現有條件將H1氣缸蓋設計在HWS靜壓造型線進行樣件試制與生產。機器人自動浸涂，平組立澆，一箱兩件；缸蓋毛坯經粗清、去應力退火后進行振擊除芯、貫通拋丸。

3.1制芯

根據兼顧效率與品質的原則，合理設計制芯工藝；砂芯全部在同一車間制芯工部生產。(1)上/下夾層芯形成缸蓋的水腔，鑄件內腔不允許有粘砂、殘砂及斷芯等缺陷，因此砂子采用高強度寶珠覆膜砂。上/下水夾層芯分別在大山V-top-1135熱芯機/MRD20T熱芯機上制芯，垂直分型并將射嘴設計到芯頭部位，提高水夾層平面度，改善鑄件內腔品質。(2)進/排氣道芯在大山V-top-1135熱芯機/Z9404W熱芯機上制芯，采用普通覆膜砂，以避免冷芯易產生的氣道脈紋缺陷。(3)5種12顆冷芯在MLC25BH冷芯盒射芯機上制芯，布置在一套芯盒內（如圖8所示），提高制芯效率。

3.2底盤芯組預組芯

在缸蓋組芯線使用熱熔膠系統(tǒng)將下水夾層芯、進排氣道芯、上水夾層芯、前后短邊芯、1#長條芯、2#長條芯組裝到底盤芯中，在組芯時同時使用粘結劑粘結，如圖9所示；這樣既可以實現組芯后快速浸涂，提高效率，又可以有效保證烘干后砂芯間有效固定。

3.3浸涂、烘干

浸涂機器人分別夾取底盤芯組、上蓋芯在浸涂池中浸涂杜倫斯涂料，控灰后放在缸蓋涂料表干爐的烘干托盤上進爐烘干。

3.4組裝上蓋芯與整體組芯

人工利用上蓋芯組芯機械手吊起上蓋芯，翻轉180°，扣在底盤芯組上，組成單體芯組，如圖11.a所示。使用整體組芯機械手，夾取兩個單體芯組從烘干托盤上轉運到整體組芯胎具上，底盤芯面對面放置。兩個芯組采用組芯螺栓把緊之后利用整體組芯機械手將整體芯組從胎具轉運到運輸托盤上，如圖11.b所示。

3.5造型

在中件二車間HWS造型線造型，一箱兩件。先人工用機械手將整體芯組分別吊入下芯胎具，再用下芯機夾取整體芯組下芯。

3.6清理

缸蓋經粗清后由機械手抓取放置在退火爐臺車上，鑄件進退火爐進行熱處理；從退火爐出來后經平板輸送機到振擊除芯工序，進行振擊除芯。之后人工轉移到雙行程懸鏈輸送吊鉤式拋丸清理機進行粗拋丸處理。樣試階段粗拋、倒丸后人工裝料斗轉至人工細清間進行細清。細清完成后到機械手拋丸清理機進行精拋，之后后由行車吊至地面進行檢查、入庫。

4結論

（1）大尺寸熱芯盒砂芯鑄造收縮率設計時應考慮熱芯盒的線膨脹系數；考慮進排氣道閥座的位置精度對柴油機性能的影響，進氣道芯、上水夾層芯鑄造收縮率與外模收縮率應取不同的值。

（2）聯(lián)體氣缸蓋立澆工藝宜采用階梯式澆注系統(tǒng)，凝固過程中溫度場溫差小，減小長度方向整體變形量。

（3）綜合考慮車間已有流程的基礎上，合理設計制芯、浸涂、組芯、清理的工藝流程，可以提高生產效率和毛坯品質。

參考文獻:

[1]李昂，吳密．鑄造工藝設計技術與生產質量控制實用手冊[M].北京：金版電子出版社，2003:421.

[2]張玉娟;韓志濂;徐駿華.226B氣缸蓋鑄造缺陷的解決[J].中國鑄造裝備與技術,2007(1).

[3]李平,魏伯康,段漢橋,等.6105缸蓋排氣道殼芯穿芯問題的防止[J].中國鑄造裝備與技術,2003(4).

作者:孫曉敏 臧加倫 王勇 單位:濰柴動力股份有限公司