V型干式缸套柴油機(jī)氣缸體鑄造工藝開發(fā)

王祺祥，倪允強(qiáng)，臧加倫

（濰柴動力股份有限公司，山東濰坊 261061）

V型干式缸套柴油機(jī)氣缸體鑄造工藝開發(fā)

王祺祥，倪允強(qiáng)，臧加倫

（濰柴動力股份有限公司，山東濰坊 261061）

介紹了一種V型干式缸套柴油機(jī)氣缸體的工藝開發(fā)要點(diǎn)，對制芯及組芯工藝流 程做了重點(diǎn)介紹。本工藝采用整體組芯、 整體下芯的方式，可以穩(wěn)定產(chǎn)出合格的氣缸體鑄件毛坯，鑄件尺寸精度及尺寸一致性良好。

V型氣缸體；干式缸套；制芯組芯

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)以及裝備制造業(yè)的快速發(fā)展，國內(nèi)卡車、工程機(jī)械等行業(yè)蓬勃發(fā)展，隨著發(fā)動機(jī)向大功率、高性能方向發(fā)展，對柴油機(jī)氣缸體也提出了更高的要求。為使產(chǎn)品在日益激烈的市場化競爭中贏得先機(jī)，公司開發(fā)了一款V型柴油機(jī)。氣缸體作為柴油機(jī)的一個(gè)重要零部件，尤其是V型柴油機(jī)，具有復(fù)雜程度高、生產(chǎn)難度大、鑄件品質(zhì)難以控制的特點(diǎn)。采用V型干式氣缸套結(jié)構(gòu)，砂芯結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，定位難度大，氣缸體的鑄造工藝開發(fā)是該柴油機(jī)開發(fā)的難點(diǎn)之一。

通過對氣缸體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，針對V型氣缸體水套芯、挺桿芯和蓋板芯組芯技術(shù)難點(diǎn)，最終確定氣缸體采用V型角向上的組芯和澆注工藝。此工藝方便整體芯組的組芯，避免整體芯組翻轉(zhuǎn)造成砂芯位移、破損，同時(shí)保證澆注過程中挺桿和水套芯變形小、排氣通暢，實(shí)現(xiàn)了V型干式缸套氣缸體鑄造工藝的順利開發(fā)。

1 鑄造工藝設(shè)計(jì)

1.1 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氣缸體輪廓尺寸為816×845×560（L×W×H， mm），由于氣缸體總體高度不高，根據(jù)氣缸體結(jié)構(gòu)特征分析，確定采用使軸承壁向下的底注方式，根據(jù)鑄件三維模型，使用三維設(shè)計(jì)軟件，設(shè)計(jì)氣缸體澆注工藝，如圖1所示。采用底注式澆注系統(tǒng)，鐵液在型腔中上升平穩(wěn)，可有效避免金屬液發(fā)生飛濺，有利于型腔內(nèi)氣體順序排出[1]。

圖1 氣缸體澆注工藝

1.2 鑄造CAE仿真

采用鑄造CAE模擬軟件，進(jìn)行工藝方案可行性驗(yàn)證。通過進(jìn)行鑄造應(yīng)力、充型和凝固的模擬分析，觀察澆注過程中的金屬液平穩(wěn)性，預(yù)測金屬液在樹脂砂型腔中的充型和凝固過程中可能出現(xiàn)的裂紋、氣孔、縮松等鑄造缺陷。

其中，圖2是氣缸體澆注時(shí)間模擬結(jié)果，圖3是部分凝固結(jié)果和縮松缺陷結(jié)果。圖4是鑄件粘砂缺陷傾向分布。通過對鑄件充填模擬分析，完善了 鑄造澆冒口系統(tǒng)。

圖2 CAE模擬結(jié)果

圖3 鑄件熱節(jié)分布

圖4 鑄件粘砂傾向

2 制芯工藝

該V型氣缸體共需要11種13顆砂芯，包括前端芯、3種大缸芯、后端芯、3種水套芯、挺桿芯、2種蓋板芯、填砂塊芯。涉及制芯工藝包括冷芯盒擦洗砂工藝、冷芯盒陶瓷砂工藝、自硬砂工藝。其中，大缸芯、前后端芯、蓋板芯采用冷芯盒擦洗砂工藝；水套芯挺桿芯采用冷芯盒陶瓷砂工藝。

2.1 大缸芯制芯

大缸芯采用冷芯盒擦洗砂工藝，樹脂組分1∶樹脂組分2=1∶1，混砂時(shí)間80~90 s；制芯工藝參數(shù)：射砂壓力≥0.4 MPa，吹胺時(shí)間40~60 s。

根據(jù)大缸芯產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，大缸芯采用缸筒向下的方式翻轉(zhuǎn)制芯，如圖5所示，方便芯頭部位布置射砂嘴；制芯后，使用翻轉(zhuǎn)吊具完成砂芯翻轉(zhuǎn)存放，如圖6所示。

為加強(qiáng)大缸芯排氣，大缸芯缸筒部位設(shè)計(jì)掏空，此掏空棒不僅可以實(shí)現(xiàn)砂芯掏空，更是大缸芯芯盒開模后，大缸芯的定位機(jī)構(gòu)，可防止砂芯側(cè)翻損傷；通過對掏空棒和下芯盒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)大缸芯制芯后，砂芯掏空棒支撐砂芯直立，取芯時(shí)跟隨砂芯一同取出翻轉(zhuǎn)，再將掏空棒取出。

圖5 大缸芯制芯

圖6 大缸芯翻轉(zhuǎn)吊具

2.2 水套芯制芯

以往干式缸套氣缸體水套芯的生產(chǎn)均采用硌礦砂與熟料砂制芯工藝。由于砂粒粗大且呈尖角狀，具有射砂時(shí)對模具的沖擊磨損大、砂芯的脫模效果不好等缺點(diǎn)；且熱芯盒工藝制芯效率低，勞動環(huán)境較差[2]。為提高制芯效率、改善作業(yè)環(huán)境，同時(shí)解決砂芯脫模問題、延長模具使用壽命，現(xiàn)采用陶瓷砂冷芯盒制芯工藝生產(chǎn)水套芯，如圖7所示。

水套芯采用陶瓷砂+焙燒砂工藝，樹脂組分1∶樹脂組分2=1∶1；制芯工藝參數(shù)：射砂壓力≥0.4 MPa，吹胺時(shí)間30~60 s。

采用此種制芯工藝具備以下特點(diǎn)：

(1)芯砂顆粒為球形，流動性好，生產(chǎn)的砂芯緊實(shí)；

(2)熱膨脹系數(shù)小，鑄件變形傾向?。?/p>

(3)制芯時(shí)砂芯脫模性能好；

(4)抗金屬液潤濕能力大，抗金屬氧化物作用，可提高鑄件內(nèi)腔表面品質(zhì)，減輕粘砂缺陷。

圖7 水套芯制芯

3 浸涂工藝

根據(jù)砂芯結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不同，澆注過程中受熱環(huán)境的不同，制定了不同的砂芯浸涂工藝。

3.1 大缸芯浸涂

由于大缸芯結(jié)構(gòu)強(qiáng)壯，無狹窄空間與薄弱的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，大缸芯采用醇基石墨涂料浸涂工藝，如圖8所示。由于石墨粉在澆注過程中能產(chǎn)生微弱的還原性氣氛，抗粘砂能力強(qiáng)，資源豐富且成本低廉，適合此類大缸芯砂芯的浸涂使用。

圖8 大缸芯浸涂

3.2 前后端芯刷涂

前后端芯采用手工刷涂工藝，如圖9所示，使用醇基鋯英粉涂料。由于鋯英粉具有很好的耐火度和高溫化學(xué)惰性，具有很好的防粘砂效果，可有效保證前后端芯復(fù)雜產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的鑄件表面品質(zhì)[3]。

圖9 后端芯手工刷涂

3.3 水套芯浸涂

由于水套芯砂芯薄弱且受熱環(huán)境惡劣，水套芯采用浸涂+局部刷涂工藝方式，如圖10所示。使用水基涂料整體浸涂，由于水基涂料具有適當(dāng)?shù)臐B透性，好的流平性和抗流淌性，較高的常溫強(qiáng)度和高溫抗開裂性，懸浮性好，抗粘砂能力強(qiáng)，可有效地保證了鑄件內(nèi)腔表面光潔。砂芯烘干后，對水套芯涂料缺損位置及缸蓋串水孔周邊補(bǔ)刷鋯英粉涂料強(qiáng)化抗粘砂效果。

圖10 水套芯浸涂

4 組芯工藝

針對干式缸套V型氣缸體結(jié)構(gòu)，確定了氣缸體V型角向上的組芯工藝，設(shè)計(jì)專用組芯胎具，實(shí)現(xiàn)水套芯、挺桿芯和整體芯組的準(zhǔn)確組裝，保證了鑄件毛坯的壁厚尺寸精度。該組芯胎具使用耐磨滑塊滑動機(jī)構(gòu)、限位塊固定，操作方便，降低操作的勞動強(qiáng)度、提高組芯效率，如圖11所示。

圖11 組芯胎具與整體芯組

組芯的工藝過程：

(1)用轉(zhuǎn)運(yùn)吊具將后端芯、大缸芯、前端芯依次吊到組芯胎具上組芯，使用定位塊固定每顆砂芯的位置；

(2)工搬運(yùn)組水套芯和挺桿芯，其中由于挺桿芯在V型夾角外側(cè)，挺桿芯下芯后，需要滑動左右側(cè)支撐塊至理論位置以支撐挺桿芯完成蓋板芯的組裝；

(3)人工組蓋板芯，利用蓋板芯實(shí)現(xiàn)水套芯和挺桿芯的固定。利用射釘槍射出的小排釘將蓋板芯與前后端芯連接，該工藝方法的優(yōu)點(diǎn)是：砂芯連接固定較粘結(jié)劑法精確，明顯提高生產(chǎn)效率，方便操作，產(chǎn)量大小皆可使用；

(4)使用三根螺栓將整體芯組鎖緊，螺栓鎖緊兩端孔不要堵死，用于排氣。

氣缸體V型角向上的組芯和澆注工藝，避免了整體芯組翻轉(zhuǎn)造成砂芯位移、破損，同時(shí)保證澆注過程中挺桿和水套芯變形小、排氣通暢，防止氣孔等缺陷的產(chǎn)生[4]。

5 整體下芯

設(shè)計(jì)專用下芯吊具，整體組芯后，使用下芯吊具將整體芯組從組芯胎具上吊起，放入砂型中，如圖12所示；整體芯組取芯和下芯過程中利用定位銷定位，可有效提高下芯精度。采用整體芯組下芯的方式，消除了單顆砂芯下芯引起砂芯偏移造成的壁厚或尺寸偏差，保證了毛坯尺寸精度和尺寸的一致性。

圖12 下芯吊具與整體芯組

6 合箱澆注

整體芯組下入下型后，使用填砂塊芯封堵前后端芯吊砂槽，并在上型出氣位置安放出氣冒口，如圖13所示。

鑄件采用拔塞式澆注，澆注溫度在1 400 ℃左右，澆注時(shí)間在24~30 s，效果良好，產(chǎn)出鑄件毛坯合格。

圖13 出氣冒口

7 結(jié)語

經(jīng)鑄造工藝驗(yàn)證，產(chǎn)出合格的V型干式缸套氣缸體毛坯。本次鑄造工藝開發(fā)具備以下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1)針對干式缸套V型氣缸體組芯工藝復(fù)雜的問題，開發(fā)了專用組芯胎具，采用V型角向上的組芯方式，保證挺桿芯盒、水套芯和整體芯組的組芯尺寸精度和操作的便利性。

(2)針對整體芯組的組芯工藝、同時(shí)考慮澆注過程中挺桿芯和水套芯的變形和排氣等問題，確定V型角向上的澆注方式；該鑄造工藝避免了整體芯組二次翻轉(zhuǎn)可能造成的鑄件缺陷。

(3)采用底注式澆注系統(tǒng)，澆注過程充型平穩(wěn)，有利于型腔內(nèi)氣體順序排出排氣順暢，避免了氣孔缺陷的產(chǎn)生。

[1] 王文清,李魁盛.鑄造工藝學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998:266-267.

[2] 戚曉霞 臧加倫，氣缸體陶瓷砂水套芯制芯工藝生產(chǎn)試驗(yàn)過程研究[J].熱加工工藝，2012（21）：68-70.

[3] 王文清,李魁盛.鑄造工藝學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998:200-201.

[4] 鄒日榮，李競操.大型船用柴油機(jī)缸套的鑄造工藝[J].中國鑄造裝備與技術(shù),2004(3).

[5] 臧加倫,齊建,劉云云.V型柴油機(jī)氣缸體鑄造工藝設(shè)計(jì)[J].中國鑄造裝備與技術(shù),2014(2).

Casting technique for V type dry cylinder block of diesel engine

WANG QiXiang,NI YunQiang, ZANG JiaLun
(Weichai Power Co., Ltd.,Weifang 261061, Shandong, China)

The cylinder block is an important part of the engine, especially the cylinder block of V diesel engine, technical requirements more stringent, process more difficult. This paper introduces the process development of a V type dry cylinder diesel engine cylinder block, and details the core making and core assembly processes. The vertical core assembly and vertical pouring technique is used in the process. This process can be used to produce qualifi ed casting cylinder block. And the casting dimension possesses high precision and good consistency.

V type dry cylinder liner block;core making;core assembly

TG244；

A；

1006-9658（2017）04-0052-04

10.3969/j.issn.1006-9658.2017.04.015

2017-03-09

稿件編號:1703-1690

王祺祥（1961—），男，工程師，主要從事鑄造設(shè)備與技術(shù)等方面工作.