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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(diǎn)，包括鑄造工藝設(shè)計(jì)和工藝流程設(shè)計(jì)兩方面；對鑄造收縮率、澆注系統(tǒng)等工藝設(shè)計(jì)及制芯、組芯、浸涂工序等流程設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了重點(diǎn)介紹。

關(guān)鍵詞:

氣缸蓋；工藝設(shè)計(jì)；工藝流程

隨著人們環(huán)保意識的日漸提高，柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格；歐洲已于2013年底施行歐Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)。我國柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)緊跟歐洲，將全面實(shí)施國Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)，國Ⅴ甚至國Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)也在不遠(yuǎn)的將來推行。濰柴WP10產(chǎn)品雖然占據(jù)了較大的市場份額，但作為一款老牌產(chǎn)品，其競爭優(yōu)勢在逐漸減少。為做好技術(shù)儲(chǔ)備，保證未來5～15年內(nèi)的競爭力，開發(fā)面向未來市場、性能先進(jìn)的柴油機(jī)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(jié)構(gòu)分析

H1柴油機(jī)是全新平臺柴油機(jī)，最高爆發(fā)壓力200×105Pa，缸徑116mm，缸心距144mm。因此H1氣缸蓋設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁厚差別較大（如圖2所示）。進(jìn)氣側(cè)存在螺栓搭子與氣門導(dǎo)管搭子連到一塊的厚大部位，可能會(huì)在鑄件上形成縮松缺陷。進(jìn)氣管壁厚5.5mm，且不易放置冒口補(bǔ)縮。上水夾層共20個(gè)工藝孔、6個(gè)噴油器孔及6個(gè)串水孔；下水夾層1個(gè)工藝孔、4個(gè)串水孔；滿足鑄造工藝清理及砂芯固定要求。上、下水夾層結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2鑄造工藝設(shè)計(jì)

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(shù)之一。在工藝設(shè)計(jì)時(shí)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(guān)，此外還與鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、壁厚大小等多種因素有關(guān)[1]。本文通過對本公司現(xiàn)生產(chǎn)的類似缸蓋進(jìn)行多次統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)1%鑄造收縮率偏小，H1氣缸蓋鑄造收縮率設(shè)計(jì)為1.1％。考慮到進(jìn)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(shè)計(jì)為1.0%；同時(shí)，因?yàn)榇蟪叽鐭嵝竞兄菩具^程中芯盒本體發(fā)生線性膨脹，砂芯鑄造收縮率設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮熱芯盒的線膨脹系數(shù)。工藝驗(yàn)證過程中按上述收縮率設(shè)計(jì)的H1氣缸蓋加工、劃線尺寸合格。

2.2澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對H1氣缸蓋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用立澆工藝，將進(jìn)氣管側(cè)放置在砂箱底部。兩層內(nèi)澆口設(shè)計(jì)在螺栓搭子位置，避免鐵液沖刷砂芯；底層內(nèi)澆口盡可能靠近底部，平衡底部薄壁進(jìn)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(zhì)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(shè)計(jì)比例為F直∶F橫∶F內(nèi)=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(jù)上述澆注系統(tǒng)截面積設(shè)計(jì)，完成充型模擬三維，經(jīng)Anycasting軟件模擬充型時(shí)間為32s，澆注時(shí)間過長；加大阻流面積至30cm2，充型時(shí)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(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)階梯式澆注系統(tǒng)，底層內(nèi)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(shè)計(jì)時(shí)雖然設(shè)計(jì)兩層內(nèi)澆口但同時(shí)進(jìn)鐵液的問題。模擬結(jié)果顯示8s時(shí)僅底層內(nèi)澆口進(jìn)鐵液，至16s時(shí)澆注液面上升到距離上層內(nèi)澆口約35mm處上層內(nèi)澆口開始進(jìn)鐵液（如圖6所示）。

2.3砂芯設(shè)計(jì)

砂芯設(shè)計(jì)時(shí)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(chǎn)現(xiàn)場的設(shè)備能力及與其它產(chǎn)品工藝裝備共用的問題。

2.3.1砂芯種類

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，每個(gè)缸蓋設(shè)計(jì)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(jìn)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(cè)面固定；保證了砂芯均在同一車間制芯工部生產(chǎn)，方便生產(chǎn)管理與有序組織。

2.3.2芯頭設(shè)計(jì)

下夾層芯、排氣道芯等單體砂芯的芯頭間隙設(shè)計(jì)為0.2mm；進(jìn)氣道芯、上夾層芯等整體砂芯的定位芯頭間隙設(shè)計(jì)為0.3mm，非定位芯頭間隙0.5mm；不同的間隙設(shè)計(jì)既實(shí)現(xiàn)了下芯方便又保證了鑄件尺寸精度。

3工藝流程設(shè)計(jì)

根據(jù)車間現(xiàn)有條件將H1氣缸蓋設(shè)計(jì)在HWS靜壓造型線進(jìn)行樣件試制與生產(chǎn)。機(jī)器人自動(dòng)浸涂，平組立澆，一箱兩件；缸蓋毛坯經(jīng)粗清、去應(yīng)力退火后進(jìn)行振擊除芯、貫通拋丸。

3.1制芯

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

3.2底盤芯組預(yù)組芯

在缸蓋組芯線使用熱熔膠系統(tǒng)將下水夾層芯、進(jìn)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(shí)同時(shí)使用粘結(jié)劑粘結(jié)，如圖9所示；這樣既可以實(shí)現(xiàn)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(jī)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(jìn)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(jī)械手吊起上蓋芯，翻轉(zhuǎn)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(jī)械手，夾取兩個(gè)單體芯組從烘干托盤上轉(zhuǎn)運(yùn)到整體組芯胎具上，底盤芯面對面放置。兩個(gè)芯組采用組芯螺栓把緊之后利用整體組芯機(jī)械手將整體芯組從胎具轉(zhuǎn)運(yùn)到運(yùn)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(jī)械手將整體芯組分別吊入下芯胎具，再用下芯機(jī)夾取整體芯組下芯。

3.6清理

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

4結(jié)論

（1）大尺寸熱芯盒砂芯鑄造收縮率設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮熱芯盒的線膨脹系數(shù)；考慮進(jìn)排氣道閥座的位置精度對柴油機(jī)性能的影響，進(jìn)氣道芯、上水夾層芯鑄造收縮率與外模收縮率應(yīng)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(chǔ)上，合理設(shè)計(jì)制芯、浸涂、組芯、清理的工藝流程，可以提高生產(chǎn)效率和毛坯品質(zhì)。

參考文獻(xiàn):

[1]李昂，吳密．鑄造工藝設(shè)計(jì)技術(shù)與生產(chǎn)質(zhì)量控制實(shí)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(shù),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(shù),2003(4).

作者:孫曉敏 臧加倫 王勇 單位:濰柴動(dòng)力股份有限公司