V型柴油機(jī)氣缸體鑄造工藝設(shè)計(jì)

臧加倫，齊 建，劉云云

（濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東濰坊 261205）

0 引言

2009年濰柴動(dòng)力成功收購(gòu)法國(guó)博杜安公司，該公司有兩款V型柴油機(jī)，主要用于游艇主機(jī)、快艇及其他運(yùn)輸船舶。為扭轉(zhuǎn)市場(chǎng)頹勢(shì)，主要零部件按計(jì)劃實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化、降低制造成本。鑄造廠(chǎng)首次生產(chǎn)V型氣缸體，鑄造工藝的設(shè)計(jì)是氣缸體國(guó)產(chǎn)化的關(guān)鍵。

該V型氣缸體輪廓尺寸1 470×840×610（mm），毛坯質(zhì)量860 kg。在國(guó)外供應(yīng)商鑄造廠(chǎng)的生產(chǎn)工序全部采用手工工藝，生產(chǎn)效率較低；尤其是大缸芯制芯及組芯，無(wú)法滿(mǎn)足國(guó)產(chǎn)化的批量生產(chǎn)需求。在鑄造廠(chǎng)不增加專(zhuān)用設(shè)備和場(chǎng)地的條件下開(kāi)發(fā)適合濰柴鑄造廠(chǎng)的生產(chǎn)工藝，該工藝需用滿(mǎn)足小批量生產(chǎn)需求，同時(shí)毛坯尺寸準(zhǔn)確、生產(chǎn)成本低。

1 工藝方案概述

根據(jù)V型氣缸體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（毛坯形狀見(jiàn)圖1），確定了基本的鑄造工藝設(shè)計(jì)方案。①造型采用堿性樹(shù)脂砂工藝，長(zhǎng)度方向縮尺1.1，寬度方向1.0。內(nèi)腔全部使用冷芯，縮尺1.0；②大缸芯和前后端芯在FA100射芯機(jī)上制芯。大缸芯制芯由于使用了大量的活塊，在無(wú)專(zhuān)用設(shè)備的條件下需要進(jìn)行復(fù)雜的工裝設(shè)計(jì)；③使用杜倫斯特種涂料，可在一定程度上防止砂芯的燒結(jié)，提高鑄件內(nèi)腔表面的清潔度；④主體芯包括前后端和中間大缸芯共8顆砂芯，為提高毛坯的尺寸精度，使用胎具整體組芯，使用下芯夾具整體下芯。組芯胎具和下芯夾具的使用提高了生產(chǎn)效率、降低了勞動(dòng)強(qiáng)度；⑤澆注系統(tǒng)采用底注方式，澆注質(zhì)量為1 020 kg，CAE模擬的澆注時(shí)間為45 s；澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)保證鐵液充填平穩(wěn)，砂芯的氣體充分排出型腔；⑥氣缸體的底平面設(shè)計(jì)14根冒口棒，保證澆注過(guò)程中型腔的排氣和冷鐵液充分溢出。工藝設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。

圖1 V型氣缸體毛坯

圖2 V型氣缸體工藝示意圖

2 工藝要點(diǎn)

按上述方案實(shí)施的工藝開(kāi)發(fā)非常順利，第一輪工藝驗(yàn)證生產(chǎn)的毛坯，經(jīng)劃線(xiàn)解剖和理化性能檢測(cè)，滿(mǎn)足產(chǎn)品形狀和性能要求。工藝開(kāi)發(fā)過(guò)程中突出的創(chuàng)新點(diǎn)是大缸芯的制芯工藝、主體芯的整體組芯和下芯工藝，本文做詳細(xì)介紹。

2.1 大缸芯制芯工藝

為保證功能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和壁厚的均勻性，該V型氣缸體大缸芯的內(nèi)腔設(shè)計(jì)出現(xiàn)了10處阻礙制芯開(kāi)模的結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖3。按照常規(guī)設(shè)計(jì)，芯盒內(nèi)存在大量活塊，大缸芯的制芯需要使用傳統(tǒng)的手工芯盒自硬砂制芯，無(wú)法在制芯機(jī)上生產(chǎn)。為了提高制芯質(zhì)量，保證尺寸精度和內(nèi)腔的表面質(zhì)量，大缸芯的制芯采用了射芯機(jī)射砂固化、地面開(kāi)模取芯的半手工方式。該制芯工藝不需要專(zhuān)用設(shè)備的投資，同時(shí)保證制芯質(zhì)量，生產(chǎn)效率也比純手工方式有一定程度的提高。

圖3 大缸芯活塊

制芯工藝過(guò)程。射砂吹胺后，芯盒主體部分隨工作臺(tái)開(kāi)出。使用電葫蘆將芯盒主體部分吊出，大缸芯芯盒體如圖4所示。吊出芯盒放置在大缸芯盒開(kāi)模胎具上（圖5），開(kāi)模后，使用大缸芯專(zhuān)用吊具將砂芯與活塊一起吊出，然后依次將活塊取出。取出后的活塊放置芯盒體內(nèi)，重新組裝合模。將芯盒主體部分吊至射芯機(jī)工作臺(tái)上開(kāi)進(jìn)，合模射砂吹胺，進(jìn)入下一循環(huán)。

圖4 大缸芯冷芯盒

圖5 開(kāi)模胎具

大缸芯模具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：①芯盒體兩側(cè)安裝手輪便于操作，頂桿孔用HT250材料鑲襯套，以免磨損，當(dāng)頂芯絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)開(kāi)模時(shí)，側(cè)芯盒、開(kāi)模胎具滑動(dòng)板也同步滑動(dòng)，保持砂芯開(kāi)模平穩(wěn)。開(kāi)模后有限位銷(xiāo)，保持芯盒體與開(kāi)模胎具的相對(duì)位置固定便于取芯；②開(kāi)模胎具下部滑動(dòng)板使用方形滾珠直線(xiàn)導(dǎo)軌定位滑動(dòng)，并安裝耐磨條，芯盒合模定位使用了定位銷(xiāo)和套，鎖緊螺栓鎖緊。

制芯工藝的優(yōu)點(diǎn)：①芯盒定位銷(xiāo)、套孔的中心距尺寸及公差要求控制準(zhǔn)確，保證了模具型腔的尺寸準(zhǔn)確，滿(mǎn)足氣缸體鑄件毛坯的尺寸要求；②采用機(jī)器制芯，合模緊密，制出的砂芯光潔，砂芯緊實(shí)度好，披縫少，制芯時(shí)間短；③模具開(kāi)、合靈活，取芯方便，提高效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度。芯盒體與開(kāi)模胎具固定側(cè)鎖緊后，擰動(dòng)兩頭的頂芯螺桿手輪，兩側(cè)芯盒自動(dòng)脫開(kāi)，用手拉至指定位置，鎖上限位銷(xiāo)。整個(gè)開(kāi)模過(guò)程快捷而省力；④模具結(jié)構(gòu)緊湊，定位準(zhǔn)確，使用壽命增長(zhǎng)。使用了耐磨條、導(dǎo)向鍵、方形滾珠直線(xiàn)導(dǎo)軌等部件，左右側(cè)芯盒與開(kāi)模胎具的活動(dòng)都用導(dǎo)軌進(jìn)行前后運(yùn)動(dòng)，避免碰撞，延長(zhǎng)了模具的使用壽命。

2.2 組合下芯工藝

同行業(yè)大型柴油機(jī)氣缸體鑄造的生產(chǎn)，毛坯尺寸長(zhǎng)度方向多超過(guò)1 500 mm，普遍采用手工單顆砂芯下芯的組合工藝，即在砂型中按一定的順序單顆下芯。濰柴160、170等系列大型柴油機(jī)氣缸體組芯都采用手工下芯組芯工藝。

傳統(tǒng)的手工單顆下芯組芯工藝存在以下問(wèn)題：①勞動(dòng)強(qiáng)度大，主要靠人工搬運(yùn)或借助于簡(jiǎn)易的輔助吊具下芯；②生產(chǎn)效率低，需要依靠樣板檢查，人工調(diào)整，耗費(fèi)大量工時(shí)；③鑄造缺陷多，單顆下芯、人工調(diào)整砂芯位置等因素產(chǎn)生很多鑄造問(wèn)題，如擠掉砂、壁厚不均、加工缺料等缺陷；④尺寸精度低，單顆下芯存在定位不準(zhǔn)、積累誤差等缺點(diǎn)，鑄件毛坯尺寸精度不高。

濰柴氣缸體毛坯生產(chǎn)的的整體組芯工藝只應(yīng)用在P6/P7P10/P12等中小型氣缸體組芯上，該工藝具有生產(chǎn)效率高、尺寸精度高等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是生產(chǎn)專(zhuān)業(yè)化程度高，需要配備專(zhuān)用流水線(xiàn)和大量的工藝裝備。對(duì)于法國(guó)博杜安系列產(chǎn)品的大型氣缸體鑄件，采用整體組芯下芯工藝是個(gè)嘗試。該工藝的實(shí)施,使大型氣缸體鑄件毛坯的尺寸精度提升到一個(gè)新的水平。

組芯胎具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：①組芯胎具長(zhǎng)度方向采用直線(xiàn)軸承，每顆砂芯對(duì)應(yīng)一個(gè)支撐機(jī)構(gòu)。其中一端砂芯支撐機(jī)構(gòu)固定，其余為活動(dòng)。單個(gè)砂芯支撐機(jī)構(gòu)設(shè)有預(yù)定位結(jié)構(gòu)并帶有鎖緊裝置，見(jiàn)圖6；②該組芯胎具使用耐磨滑塊滑動(dòng)機(jī)構(gòu)、限位塊固定，可降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高組芯效率；同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)零間隙組芯，從根本上保證了鑄件毛坯的壁厚尺寸精度。

圖6 組芯胎具示意圖

圖7 在胎具上放置端芯

組芯下芯過(guò)程：①組芯過(guò)程：把端芯放置在固定在一端的砂芯支撐機(jī)構(gòu)上，見(jiàn)圖7。把1顆大缸芯放置到剛放好端芯位置的鄰近的支撐機(jī)構(gòu)上，滑動(dòng)支撐機(jī)構(gòu)，靠緊端芯后使用鎖緊裝置將該支撐機(jī)構(gòu)鎖緊（定位的過(guò)程）。按照上述步驟，依次組裝其它砂芯至完成，見(jiàn)圖8；②使用三根螺栓將大缸芯與前后端芯鎖緊，形成主體芯組。使用專(zhuān)用下芯夾具將整體芯組從組芯胎具上吊起放入砂型中，見(jiàn)圖9。

圖8 在胎具上組裝主體芯組

圖9 下芯夾具吊起整體芯組

整體組芯下芯工藝的優(yōu)點(diǎn)：①結(jié)合了流水線(xiàn)整體組芯和地面零活的手工工藝，是針對(duì)大型柴油機(jī)氣缸體生產(chǎn)的一種新型工藝；②降低了勞動(dòng)強(qiáng)度、提高了生產(chǎn)效率；③鑄件毛坯尺寸準(zhǔn)確，克服了傳統(tǒng)組芯工藝產(chǎn)生的諸多鑄造缺陷問(wèn)題。

3 小結(jié)

經(jīng)過(guò)工藝方案的實(shí)施、工藝驗(yàn)證和完善，V型柴油機(jī)氣缸體的鑄件生產(chǎn)通過(guò)柴油機(jī)的疲勞和耐久試驗(yàn)，毛坯尺寸和表面質(zhì)量較國(guó)外供應(yīng)商的該產(chǎn)品毛坯有較大的提高，同時(shí)鑄件成本較國(guó)外供應(yīng)商大幅度下降。目前該產(chǎn)品毛坯已批量供應(yīng)法國(guó)博杜安公司。

（1）V型氣缸體毛坯在濰柴鑄造廠(chǎng)生產(chǎn)是首次嘗試，該工藝為以后V型機(jī)新產(chǎn)品氣缸體的工藝開(kāi)發(fā)提供了工藝借鑒。

（2）采用機(jī)器制芯、絲杠半自動(dòng)開(kāi)模的制芯方法，是生產(chǎn)大型氣缸體砂芯的一個(gè)不錯(cuò)的工藝選擇，可以生產(chǎn)出高質(zhì)量的大缸砂芯，有效保證氣缸體內(nèi)腔表面質(zhì)量和尺寸精度。

（3）大型柴油機(jī)氣缸體整體組芯下芯工藝結(jié)合了流水線(xiàn)整體組芯和地面零活手工工藝的特點(diǎn)，可以降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率；鑄件毛坯尺寸準(zhǔn)確；克服了傳統(tǒng)組芯工藝產(chǎn)生的諸多鑄造缺陷。