柴油機(jī)氣缸體消失模鑄造工藝的優(yōu)化設(shè)計

王新節(jié)

（浙江大學(xué)城市學(xué)院，杭州 310015）

柴油機(jī)氣缸體消失模鑄造工藝的優(yōu)化設(shè)計

王新節(jié)

（浙江大學(xué)城市學(xué)院，杭州 310015）

從泡沫模樣的制作、型砂的選用、造型工藝以及澆注系統(tǒng)的設(shè)計諸方面闡述了直列四缸柴油發(fā)動機(jī)氣缸體消失模工藝的優(yōu)化設(shè)計。

柴油機(jī)；氣缸體；消失模鑄造；鑄造工藝；優(yōu)化設(shè)計

本文重點(diǎn)介紹一種柴油機(jī)氣缸體消失模鑄造工藝的設(shè)計方法，即采用人工合成的可膨脹聚苯乙烯珠粒來發(fā)泡成形柴油機(jī)氣缸體和澆注系統(tǒng)（圖1）的泡沫模樣簇，用單一的干砂進(jìn)行造型，無須任何添加劑，而且干砂的再利用率在95%以上。將泡沫模樣簇浸涂涂料并烘干后在單體砂箱內(nèi)進(jìn)行造型。單一的干砂流進(jìn)氣缸體內(nèi)部型腔即充當(dāng)了傳統(tǒng)砂型鑄造工藝中的砂芯，單一的干砂充滿氣缸體的外部型腔即充當(dāng)了傳統(tǒng)砂型鑄造工藝中的鑄型。由于氣缸體內(nèi)外的單一干砂是自然貫通為一體的，故避免了傳統(tǒng)砂型鑄造工藝中常出現(xiàn)的型芯配合不當(dāng)而造成的擠砂缺陷。最后對鑄型抽取負(fù)壓，在鑄型保持一定負(fù)壓的狀態(tài)下進(jìn)行澆注成形。

1 泡沫模樣的制作

1.1 泡沫模樣的分型方案

柴油機(jī)氣缸體產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外部形狀較為復(fù)雜（包括氣缸套的外部冷卻容器結(jié)構(gòu)、機(jī)油循環(huán)管道結(jié)構(gòu)、機(jī)油循環(huán)管道的外部冷卻容器結(jié)構(gòu)、曲軸箱結(jié)構(gòu)、凸輪軸支撐結(jié)構(gòu)、氣門挺桿孔結(jié)構(gòu)、呼吸器排氣口結(jié)構(gòu)、清砂工藝孔結(jié)構(gòu)、缸體缸蓋連接螺栓實(shí)體結(jié)構(gòu)、油底殼連接螺栓實(shí)體結(jié)構(gòu)、機(jī)油泵殼體結(jié)構(gòu)、機(jī)油濾清器支撐結(jié)構(gòu)、油標(biāo)尺支撐結(jié)構(gòu)、前部齒輪箱殼體與后部飛輪離合器殼體安裝支撐結(jié)構(gòu)、柴油機(jī)整機(jī)運(yùn)輸支撐結(jié)構(gòu)實(shí)體、機(jī)械加工定位結(jié)構(gòu)等），其主要壁厚為5mm。這些幾何特征決定了產(chǎn)品泡沫模樣的分形與組裝方案，也對泡沫材料的粒徑進(jìn)行了限制。前者主要是考慮到泡沫模樣的脫模便利性，而后者主要是考慮到泡沫模樣的成形特性，即模樣的結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度。針對前者，我們采取了四片泡沫子模樣的發(fā)泡成形制作方式，如圖2所示，先沿著直列式四個缸筒的中心線方向?qū)⒄麄€缸體一分為二，成為一次子模片（即凸輪軸孔側(cè)一次模片和機(jī)油濾清器側(cè)一次模片）；再分別將凸輪軸孔一側(cè)的一次子模片和機(jī)油濾清器一側(cè)的一次子模片各自分為兩個二次子模片（即凸輪軸孔外壁結(jié)構(gòu)模片、凸輪軸孔內(nèi)壁結(jié)構(gòu)模片、機(jī)油冷卻器外壁結(jié)構(gòu)模片和機(jī)油冷卻器側(cè)主殼體模片）。針對后者，我們選用的EPS原始珠粒粒徑為0.2mm。由于在預(yù)發(fā)泡環(huán)節(jié)，EPS原始珠粒會在發(fā)泡劑戊烷的作用下發(fā)生膨脹，其體積大約增大50倍，這樣就可以獲得直徑為0.6～0.9 mm的預(yù)發(fā)珠粒，在缸體的基本壁厚空間內(nèi)至少可填充5～8個珠粒，能夠有效地保證模片的密度、剛度、強(qiáng)度和模片的表面質(zhì)量。此珠粒再經(jīng)過適當(dāng)?shù)氖旎幚?，降低預(yù)發(fā)珠粒內(nèi)部的真空度，讓預(yù)發(fā)珠粒具備良好的彈性和流動性，用于制取產(chǎn)品的泡沫模樣。

1.2 泡沫模樣的模具設(shè)計

組織生產(chǎn)時，要單獨(dú)對這四個二次子模片（如圖2所示）進(jìn)行發(fā)泡模具型腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計和模具制造。模具型腔的排版，可以將能夠通過簡單的兩開模取出模片的模具型腔放在一副型板框內(nèi)，這樣可以提高制模效率，比如，凸輪軸孔內(nèi)壁結(jié)構(gòu)二次子模片和機(jī)油冷卻器外壁結(jié)構(gòu)二次子模片的模具型腔放在同一幅模具型板內(nèi)進(jìn)行發(fā)泡成形二次子模片。而對于凸輪軸孔外壁結(jié)構(gòu)二次子模片和機(jī)油冷卻器側(cè)主殼體二次子模片的成形則需要單獨(dú)構(gòu)造模具型腔?？紤]到這兩個子模片是缸體外殼體的主要構(gòu)成部分，都含有曲軸箱內(nèi)部內(nèi)凹式強(qiáng)化輻板結(jié)構(gòu)，為了能方便地讓兩個子模片在各自的模具結(jié)構(gòu)中一次性發(fā)泡成形，需要在曲軸箱內(nèi)部內(nèi)凹式模片成形的凸模上設(shè)計抽芯機(jī)構(gòu)。其具體做法是將每一個缸筒所對應(yīng)的曲軸箱的凸模結(jié)構(gòu)都分為中間的凸模部分與兩側(cè)的活塊部分三個部分，中間的凸模部分參與成形又與下模主模板固連在一起，開模時隨下模板一起脫離泡沫模片，從而為其兩側(cè)的活塊留出足夠的空間，以方便兩側(cè)活塊沿與開模方向相垂直的方向取出來，最終使得模片順利脫模。這樣優(yōu)化設(shè)計泡沫模具的型腔結(jié)構(gòu)，可以減少對柴油機(jī)缸體產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的修改，既保持了其固有功能型結(jié)構(gòu)，又避免了因工藝補(bǔ)貼過多而帶來的鑄件重量增加和降低柴油機(jī)的整體工作性能。

1.3 泡沫模樣的組裝工藝

柴油機(jī)缸體產(chǎn)品泡沫模樣共分為四個獨(dú)立的子模片，它們在完成自身的發(fā)泡成形和模片之間的組裝之前，必須進(jìn)行充分的熟化處理。這可以通過自然時效來完成，也可以通過人工時效來完成。自然時效大約需要144h，自然通風(fēng)即可，有條件的地方，可以考慮建造透光玻璃溫室熟化倉，充分利用太陽能，縮短熟化周期。其優(yōu)點(diǎn)是模片熟化充分，鑄件表面質(zhì)量好；不足之處是占用空間較大。人工時效大約需要12h，在熟化室內(nèi)需對模片強(qiáng)制吹熱風(fēng)并附加除濕處理，熱風(fēng)溫度以35～45℃為宜,有條件的地方可以采用一次性通過式強(qiáng)制熱風(fēng)并附加除濕處理的裝置。其優(yōu)點(diǎn)是模片熟化周期短，生產(chǎn)效率高，占地面積小；不足之處是模片熟化不徹底，容易對鑄件的表面粗糙度及內(nèi)在質(zhì)量方面帶來不利影響。

熟化后的四個二次子模片組裝成產(chǎn)品模樣時需要注意組裝順序、組裝方式、組裝用膠以及組裝的后處理。如圖1所示，考慮到柴油機(jī)缸體上的機(jī)油冷卻器的內(nèi)部空腔呈狹長結(jié)構(gòu)且相對獨(dú)立，在后續(xù)的鑄型填砂振實(shí)時易發(fā)生局部塌箱缺陷，我們在保證柴油機(jī)缸體實(shí)現(xiàn)整體單一干砂造型的同時，對機(jī)油冷卻器局部輔以樹脂砂芯成形工藝，如圖3所示，可以采用熱芯盒或冷芯盒成形方式來制作機(jī)油冷卻器砂芯。為了獲得更好的鑄件內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，我們用石墨粉涂料對其處理后并烘干，然后用于組裝產(chǎn)品模樣。另外，為了便于機(jī)油冷卻器砂芯在產(chǎn)品模樣中的準(zhǔn)確定位和在后續(xù)的澆注過程中能夠順利地將砂芯在高溫下產(chǎn)生的氣體排放出去，采用了加長砂芯芯頭的優(yōu)化設(shè)計，收到了良好的效果（見圖3所示）。這樣組成物就由四個子模片和一個機(jī)油冷卻器砂芯共同構(gòu)成，組裝順序是先將四個二次子模片兩兩組合成兩個一次子模片，然后再將兩個一次子模片進(jìn)行膠合以獲得柴油機(jī)產(chǎn)品的整體模樣。這期間在進(jìn)行機(jī)油冷卻器一側(cè)的兩個二次子模片組裝時，需要將機(jī)油冷卻器樹脂砂芯安裝定位在這兩個二次子模片相應(yīng)的功能位置上。

組裝操作的生產(chǎn)方式可以采用全自動化，也可以采用半自動化或人工組裝方式，具體情況要視生產(chǎn)規(guī)模而定；但無論采取哪一種方式來組織生產(chǎn)，膠合模片時輔之以簡易靠模都是必要的，這樣可提高組裝效率和組裝質(zhì)量。組裝用膠可采用冷膠并輔之以膠帶粘合，也可以采用熱熔膠。通常情況下，手工作業(yè)或半自動化作業(yè)時，用冷膠并輔之以膠帶粘合的方式居多，也有通過機(jī)械手控制冷膠涂覆膠印曲線并實(shí)現(xiàn)自動化膠合工藝的。熱熔膠膠合工藝適合于大批量自動化生產(chǎn)方式。組裝的后處理主要指的是修復(fù)漏膠部位和實(shí)現(xiàn)膠合模樣的時效強(qiáng)韌化，一則防止鑄件產(chǎn)生夾雜缺陷，二則確保模樣在后續(xù)的運(yùn)輸及造型操作時具備足夠的剛度與強(qiáng)度。

2 型砂的選擇及造型工藝

2.1 型砂的選擇

消失模鑄造用型砂為單一砂。從砂源來分，可以分為天然砂和人工砂兩大類。天然砂以石英砂為主，大體上可分為天然海砂和天然沉積砂兩種。人工砂有人工寶珠砂和人工鎂橄欖石砂兩種。目前在消失模鑄造行業(yè)，因鑄件材質(zhì)、鑄件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度、鑄件型腔的最小空間尺寸以及鑄件的規(guī)格大小不同，各企業(yè)所選用的型砂種類和型砂的規(guī)格有較大區(qū)別。當(dāng)然有些企業(yè)將成本因素納入型砂選用的考慮因素之一。海砂因其資源豐富、加工處理簡便易行（只需一定的溫度將海砂中的有機(jī)物燃燒揮發(fā)掉并對其進(jìn)行過篩和分級即可）、較好的角形系數(shù)、含泥量低、良好的充型流動性、較高的熔點(diǎn)和價格低廉等諸多因素而被眾多鑄造企業(yè)青睞，尤其是有色合金鑄件和鑄鐵材質(zhì)鑄件的生產(chǎn)企業(yè)采用的較多。對于澆注溫度要求較高的鑄鋼件則是采用人工寶珠砂和人工鎂橄欖石砂的較多。寶珠砂因其粉塵少、環(huán)境保護(hù)好和流動性好而被一些產(chǎn)品內(nèi)腔極為復(fù)雜而且產(chǎn)品的附加值較高鑄件的生產(chǎn)企業(yè)所選用。鎂橄欖石砂在高錳鋼鑄件的生產(chǎn)中獲得較為成功的應(yīng)用，而且其高目數(shù)的砂粒在鑄鋼件的涂料配比中作為耐火骨料較理想。當(dāng)然也有的鑄鋼件生產(chǎn)企業(yè)出于成本的考慮使用海砂和石灰石砂的，同時輔之以較厚的泡沫模樣涂料層來組織生產(chǎn)，以防粘砂。這幾種常用的型砂主要性能對比見表1。

表1 幾種常用的消失模鑄造用型砂

柴油機(jī)氣缸體消失模鑄件選用目數(shù)為70/140目的天然海砂，應(yīng)用效果較為理想。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，如果型砂的砂粒過于粗大，盡管其透氣性提高了，對降低消失模鑄造所特有的碳?xì)埩粲欣?，但是其緊實(shí)度及其伴隨而來的整體耐火度則有所下降，尤其是對內(nèi)腔較為復(fù)雜的柴油機(jī)缸體類鑄件，往往會造成粘砂缺陷，弊大于利。

2.2 鑄型填砂及緊實(shí)工藝

如圖5所示，消失模鑄造工藝鑄型的填砂可以分為三個連續(xù)的階段。填充砂箱底部位于產(chǎn)品泡沫模樣下面的一層墊砂，填充緊密包圍在與產(chǎn)品泡沫模樣高平齊、能夠起到外部鑄型與內(nèi)腔砂芯功能作用的鑄型型砂，填充位于產(chǎn)品泡沫模樣頂部的蓋砂。墊砂是用來支撐整個鑄型金屬液重量和固定泡沫模樣簇，同時亦是鑄型構(gòu)成的一部分。墊砂的高度一般為150mm左右。緊密包圍在與產(chǎn)品泡沫模樣周圍并與之高度平齊的這部分型砂是鑄型形成的主體部分，對鑄件成形質(zhì)量起著關(guān)鍵作用。考慮到砂處理操作的便利性和鑄造成本等因素，通常這部分砂與墊砂和蓋砂選用統(tǒng)一規(guī)格的造型砂。由于這部分型砂緊密地包圍在鑄件周圍，受金屬液的機(jī)械沖擊、熱作用和化學(xué)腐蝕最為嚴(yán)重，因此，這部分型砂是砂處理的重點(diǎn)處理對象，也是補(bǔ)充新砂添加量的重要參考數(shù)據(jù)之一。蓋砂主要用來支撐直澆道、澆口杯和負(fù)壓鑄型形成系統(tǒng)的塑料薄膜，同時兼起壓鐵的作用以防止?jié)q箱，當(dāng)然蓋砂也是構(gòu)成完整鑄型必不可少的一部分。型砂的充填設(shè)計為雨淋式間斷加砂并伴之以持續(xù)振動的造型方式，這樣有利于型砂在砂箱內(nèi)分布均勻，有利于減輕型砂對泡沫模樣簇的沖擊力，也有利于確保泡沫模樣簇的每一個鑄型段均能實(shí)現(xiàn)理想的緊實(shí)狀態(tài)。

3 澆注系統(tǒng)的設(shè)計

柴油機(jī)氣缸體鑄件的頂部缸套結(jié)構(gòu)與底部油底殼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量控制是有所區(qū)別的，頂部缸套結(jié)構(gòu)的質(zhì)量要求更高，這主要是因為它們在柴油機(jī)正常工作時所起的作用決定的。在進(jìn)行消失模鑄造工藝試驗的開始，為了便于泡沫模樣簇的穩(wěn)定擺放，采取了柴油機(jī)氣缸體泡沫模樣豎直立放式，即油底殼結(jié)構(gòu)在下并與澆注系統(tǒng)相粘接，澆注方式依然是底注式，而缸套結(jié)構(gòu)就自然處于上部，見圖6和圖7所示。這種工藝的優(yōu)點(diǎn)是造型操作方便，帶來的不足是違反了鑄件重要部位在鑄型中應(yīng)盡量位于下部的原則。又由于消失模鑄造工藝的特點(diǎn)是金屬液要將泡沫模樣加熱氣化，泡沫模樣燃燒后的產(chǎn)物排出型外，這個過程中泡沫模樣也是要吸取熱量的。采用底注式澆注系統(tǒng)，金屬液最后充填的是缸套結(jié)構(gòu)部分，此時溫度已經(jīng)有所下降，從而會進(jìn)一步降低金屬液的溫度，進(jìn)而影響泡沫模樣的充分氣化和燃燒，嚴(yán)重時會在鑄件內(nèi)部產(chǎn)生碳?xì)埩羧毕荩ㄒ妶D8所示，從機(jī)油冷卻器部位鑄件上切割取樣）。

為了既遵循鑄件重要結(jié)構(gòu)部分位于鑄型的中下部凝固原則，又能使得造型操作便利，采取了柴油機(jī)缸體泡沫模樣倒置放置輔之以底注式澆注系統(tǒng)，同時用薄木片對泡沫模樣簇進(jìn)行加固以增強(qiáng)其整體剛度，防止在搬運(yùn)和造型填砂時泡沫模樣簇的分離和斷裂。澆注系統(tǒng)泡沫模樣由兩個獨(dú)立發(fā)泡成形的泡沫模樣組成，即直澆道泡沫模樣、整體式橫澆道和內(nèi)澆道泡沫模樣。首先運(yùn)用CAD建立鑄件幾何模樣，計算出其體積和重量。柴油機(jī)缸體鑄件所占體積為8.6dm3，材質(zhì)為HT250，密度7.35kg/dm3，重量為63.21kg。連帶澆注系統(tǒng)的泡沫模樣簇的總體積即整個鑄型型腔的體積為11.0dm3，所消耗的金屬液總重量為80.85kg。對于重量小于450kg、形狀復(fù)雜的薄壁鑄鐵件，其澆注時間可按式（1）來計算。

式中t為澆注時間（s）；G為包括澆冒口的鑄件重量（kg）；S是修正系數(shù)，取決于鑄件的壁厚，對于主要壁厚在5.0～15.0mm之間的鑄件，S取2.2。

這樣，柴油機(jī)氣缸體的澆注時間理論值應(yīng)為20 s。其次，根據(jù)消失模鑄型結(jié)構(gòu)特征來確定澆注系統(tǒng)的平均靜壓力頭高度：

式中H0為作用于內(nèi)澆道的液態(tài)金屬的靜壓頭（cm）；P為鑄型內(nèi)鑄件頂面高出鑄型分型面的距離（cm）；C 為鑄型總高度(cm)。

底部注入時，P=C，H平均=H0-C/2=44.95cm。

最后確定鑄鐵件的總流量系數(shù)μ（包括所有阻力損失的流量消耗系數(shù)），對于鑄型種類為干砂型，并且是實(shí)型消失模鑄造，鑄型的阻力較大，選μ=0.41?；谝陨先齻€澆注參數(shù)的確定，就可以借助流體力學(xué)的伯努利方程來設(shè)計澆注系統(tǒng)內(nèi)澆道的最小截面面積：F內(nèi)=G/（0.31×μ×t×H平均×1/2）=4.74cm2。

實(shí)際生產(chǎn)時，考慮到柴油機(jī)氣缸體產(chǎn)品泡沫模樣與澆注系統(tǒng)泡沫模樣組裝后的整體剛度、強(qiáng)度和模樣簇擺放的穩(wěn)定性等多方面因素后，將其理論計算的內(nèi)澆道的最小截面積F內(nèi)進(jìn)行了適當(dāng)放大，設(shè)計成由10個獨(dú)立均勻分布的截面尺寸為35mm×6 mm的內(nèi)澆道構(gòu)成，見圖10。我們知道，采用澆注方案I，金屬液最先充填的是缸套結(jié)構(gòu)部分，此時溫度較高（見圖9所示，經(jīng)過46.1min，鑄件100%凝固時的溫度場分布），而且金屬液在充填模樣型腔的整個過程中，都長期處于高溫狀態(tài)。這樣便容易產(chǎn)生缸套內(nèi)粘砂的缺陷。為此我們采用了顆粒度較為細(xì)小的單一干砂進(jìn)行振實(shí)造型，獲得了較為理想的鑄件產(chǎn)品質(zhì)量（圖10）。對于干式缸套的柴油機(jī)機(jī)體，其缸套內(nèi)更容易產(chǎn)生粘砂和結(jié)疤缺陷（圖11），這時可用自硬砂或熱芯盒工藝制作其干式缸套砂芯，仿照機(jī)油冷卻器內(nèi)的砂芯，先在產(chǎn)品泡沫模樣組裝時將其預(yù)充填（砂芯的表面需要涂刷一層鱗片石墨粉），然后再進(jìn)行浸涂涂料和造型即可。

4 結(jié)束語

以上柴油機(jī)氣缸體消失模鑄造工藝，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品技術(shù)要求、鑄件凝固原理和消失模生產(chǎn)工藝三者的有機(jī)統(tǒng)一，擴(kuò)大了消失模工藝在復(fù)雜箱體類鑄件中的應(yīng)用。與傳統(tǒng)砂型鑄造相比，從業(yè)人員的勞動強(qiáng)度降低了，鑄造生產(chǎn)的原材料消耗減少了，勞動環(huán)境也有了較大改善。

[1]王新節(jié).灰鑄鐵柴油機(jī)氣缸蓋消失模鑄造工藝[J].中國鑄造裝備與技術(shù)，2008（6）：33～40.

Design Optimization of Diesel Engine Cylinder Block Casting Process

WANG XinJie
（Zhejiang University City College，Hangzhou 310015，Zhejiang China）

Based upon traditional diesel engine cylinder block casting process，four－cylinder diesel engine cylinder block lost foam process design and optimization of application have been described as:to assemble product pattern and pouring system model formed with expandable polystyrene beads into a model cluster，then dry them after the model cluster dipping with the aid of manual or manipulator before put them into single sand box which with a negative pressure pumping system，a single dry sand rain－type sand system filling and compaction.Finally，to achieve the solidification of molten metal casting and forming under a certain vacuum.

Diesel engine；Cylinder block；Full mold casting process；Foundry technology；Optimal design

TG249.6;

A；

1006－9658（2012）01－6

2011－10－11

2011－139

王新節(jié)（1900-），主要從事鑄造成形工藝研究