大型柴油機機體大缸芯制芯工藝的探究

臧加倫，劉慶義，秦鵬，齊建

（濰柴動力股份有限公司，山東濰坊 260061）

我公司CW250柴油機的機體毛坯采用臥澆工藝，大缸芯采用堿性酚醛樹脂砂制芯，砂芯重量607kg，尺寸大。為降低制芯難度、簡化芯盒結(jié)構(gòu)，之前采用分體制芯工藝，即先對半片單獨制芯，然后在下芯前將兩個半片砂芯組裝成一個整體大缸芯。為了提高鑄件尺寸精度和一致性，我們對大缸芯的整體制芯工藝進行了研究，對大型砂芯整體制芯工藝的一些困難做了攻關(guān)。經(jīng)過生產(chǎn)驗證，取得了不錯的改善效果，鑄件精度和尺寸一致性得到了顯著提升。

1 機體大缸芯制芯工藝的選擇

從機體鑄件的精度方面，對于同一個鑄件，應(yīng)盡量減少砂芯數(shù)量，采用整體制芯工藝，以提高鑄件精度。但在沒有大型制芯設(shè)備的情況下，采用整體制芯時，工裝設(shè)計結(jié)構(gòu)復(fù)雜、費用比普通芯盒相對較高，制芯工藝相對困難。

從手工工裝大缸芯制芯的操作便利性的方面，對于整體尺寸太大的大型砂芯，若采用分體制芯工藝，可以簡化芯盒結(jié)構(gòu)，制芯工藝簡單。但砂芯數(shù)量多增加了砂芯組芯操作的難度，更重要的是影響鑄件毛坯精度。

在選擇大型柴油機機體大缸芯制芯工藝時，應(yīng)充分考慮以上因素，并結(jié)合砂芯的具體結(jié)構(gòu)和工廠的資源配置，選擇適合的工藝。本文結(jié)合我廠實際，對機體大缸芯分體制芯的優(yōu)缺點做了分析，對整體制芯工藝的開發(fā)做了重點的闡述。

2 分體制芯工藝

2.1 分體制芯的優(yōu)點

CW250機體大缸芯尺寸4074mm×518mm×393mm，單顆重量607kg。多年前工藝開發(fā)期間采用了分體制芯的工藝；該制芯工藝具備如下優(yōu)點：（1）芯盒結(jié)構(gòu)簡單，工裝制作費用低；（2）芯盒易于維護，拆裝、轉(zhuǎn)運與維修相對方便；（3）便于放置各種形狀和位置的冷鐵、芯骨，如圖1所示；（4）填砂面寬敞，芯盒高度小，加砂和緊實都比較方便；（5）澆注后打箱落砂時芯砂潰散性好。大缸芯整體尺寸太大，芯骨貫穿整個砂芯，若采用整體制芯，打箱清理時落砂相對困難。

圖1 冷鐵與芯骨放置

2.2 分體制芯的缺點

分體制芯存在組芯操作復(fù)雜、鑄件毛坯尺寸一致性差等問題。具體缺點如下：（1）降低了整體砂芯精度：兩半砂芯的組裝過程中會產(chǎn)生一定誤差，很難完全對正，出現(xiàn)錯芯（同合箱過程中的錯型類似）；（2）工序繁瑣：兩半砂芯組裝過程中需要用行車翻轉(zhuǎn)、打封箱膏和粘結(jié)劑、用螺栓把緊等工序，兩半砂芯之間打封箱膏，防止金屬液鉆入砂芯拼合面的縫隙，導(dǎo)致堵塞砂芯排氣通道；（3）鑄件毛坯在兩半砂芯之間形成劈縫，增加清理工作量。

為提高分體砂芯組裝精度，分體的砂芯相互之間應(yīng)該有砂芯定位結(jié)構(gòu)，定位的精度將影響組裝后整體砂芯的尺寸精度。

3 整體制芯工藝

CW250機體大缸芯整體制芯工藝開發(fā)是在充分對比了分體制芯和整體制芯各自優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，結(jié)合本廠生產(chǎn)條件制定工藝方案并驗證實施的。工裝的設(shè)計、制芯工藝操作過程是整體制芯工藝開發(fā)的重點；在清理工序由于芯骨造成落砂困難，后期對芯骨做了優(yōu)化設(shè)計。配合大缸芯整體制芯工藝，大缸芯的下芯工藝也由手工下芯變更為使用下芯框與下芯夾具，保證了大缸芯在砂型中的位置精度。

3.1 整體制芯工裝

大型柴油機機體大缸芯的制芯都會依據(jù)工藝設(shè)計選擇分體制芯或整體制芯工藝。在工藝條件允許的情況下，為保證產(chǎn)品尺寸精度，還是要優(yōu)先選擇整體制芯工藝。整體制芯工藝需要大型的砂芯制芯設(shè)備，價格昂貴；標(biāo)準(zhǔn)金屬芯盒也存在重量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和價格高的問題。因此，開發(fā)適合的制芯工藝裝備以滿足整體制芯的要求是個不錯的選擇。

圖2a是本次整體制芯工藝開發(fā)的工裝示意圖。芯盒高度1980mm，圖示芯盒左側(cè)是固定模，芯盒右側(cè)分兩層，上層、下層都可以單獨打開或鎖?。挥覀?cè)模使用安裝在模架上的直線導(dǎo)軌進行滑動。第一層合模鎖住后，人工填砂緊實；完成后再鎖緊第二層，然后進行人工填砂緊實。其中圖2a所示的芯骨兼有排氣通道和定位作用，圖2b所示的深色圓柱體即為制芯完成后芯骨在砂芯的位置示意。

圖2 芯盒結(jié)構(gòu)

大缸芯整體制芯工裝的開發(fā)可以滿足整體制芯的工藝要求，同時節(jié)省了大型制芯設(shè)備和芯盒工裝的投入。但是工裝的使用也存在好多不足：（1）芯盒結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作費用相比其他手工芯盒高；（2）芯盒維修相對不便，拆卸難度大；（3）由于直線導(dǎo)軌在填砂過程中裸露在外，合模過程中輥道易磨損；（4）芯盒高度太大，芯盒填砂與芯砂緊實相對困難；（5）芯骨在落砂過程中容易損壞，回收率不高，使用成本高。

3.2 整體制芯的操作

3.2.1 制芯的填砂

整體制芯采用堿性酚醛樹脂砂，固定式25t/h搖臂混砂機。芯盒高度1.9m，遠(yuǎn)高于混砂機出砂口的高度，制芯過程中無法直接用混砂機進行填砂操作。工藝開發(fā)論證期間已發(fā)現(xiàn)此問題；考慮到在混砂機出砂口位置挖地坑，會造成其他產(chǎn)品的制芯和造型不便，采取了如圖3所示的用砂斗加砂的方式。砂斗作為中轉(zhuǎn)工具，先用砂斗接滿樹脂砂，然后通過砂斗對芯盒進行填砂。

3.2.2 砂芯緊實

圖3 砂斗

芯盒高1.9m，按工裝設(shè)計結(jié)構(gòu)分兩層進行填砂，但每層芯盒的高度依然很大，操作者的操作有一定的技巧和難度。每一層的填砂，操作者會根據(jù)作業(yè)指導(dǎo)書的要求，在指導(dǎo)位置放置冷鐵；芯盒側(cè)壁有凹陷的位置需要重點關(guān)注，手工進行緊實。圖4是操作者對工裝填砂緊實。

3.2.3 芯骨

圖4 砂芯緊實

由圖2所示，整體制芯工藝需要使用芯骨，芯骨使用的是外徑70mm、內(nèi)徑50mm的鋼管，貫穿整個砂芯。芯骨的作用除了加強砂芯的強度外，還有以下用途：（1）鋼管上鉆有小孔，用于澆注時收集芯砂的氣體從砂芯的兩端排出；（2）在大缸芯的上涂料工序，使用了專用的夾具加緊大缸芯兩端芯骨的圓孔，可以對砂芯進行翻轉(zhuǎn)刷涂料；（3）在組芯工序，使用下芯夾具對大缸芯進行下芯時，需要芯骨兼有下芯夾具對大缸芯的定位作用。

在制芯填砂前需要對芯骨在工裝中進行精確的定位。如圖5所示，芯骨在工裝中使用定位銷進行定位。由于鋼管內(nèi)徑是毛坯面，形狀不太規(guī)則，因此需要將芯骨兩端的內(nèi)徑加工一定深度。芯骨在使用過程中根據(jù)變形情況整修，進行回收再利用。

圖5 芯骨定位

大缸芯整體制芯工藝開發(fā)初期，制芯使用的芯骨是一根整體芯骨；在機體毛坯澆注后打箱落砂工序，發(fā)現(xiàn)整體大缸芯的落砂不太好，與整體芯骨的使用有關(guān)。我們對芯骨設(shè)計做了優(yōu)化；將芯骨分為三段，保證上述芯骨功能的同時，既可以使落砂性能得到一定提高，同時芯骨兩頭的加工件回收率得到大幅度提高。圖6為分段式芯骨，其中圖6b用于芯骨的兩頭，為保證芯骨的定位和組裝，對需要的部位進行了車削加工。

圖6 三段式芯骨

4 小結(jié)

（1）大型砂芯的整體制芯需要在工藝設(shè)計階段，根據(jù)工廠資源情況進行全流程規(guī)劃設(shè)計。包括制芯、轉(zhuǎn)運、上涂料、烘干、下芯等，由于砂芯龐大，與分體制芯的現(xiàn)場操作，使用的工裝夾具存在非常大的差別。

（2）機體大缸芯選擇整體制芯時，工裝比普通模具設(shè)計復(fù)雜，費用相對較高。相比大型制芯設(shè)備的投入，優(yōu)勢突出?？筛鶕?jù)工廠的資源配置和產(chǎn)量需求情況綜合考慮。

（3）整體制芯工藝配合使用下芯框和下芯夾具下芯，顯著提高機體毛坯尺寸精度，產(chǎn)品毛坯一致性好，最終反映到產(chǎn)品上就是柴油機的性能更加可靠。因此，盡管整體制芯在操作工序存在操作困難等問題，但是對產(chǎn)品價值的實現(xiàn)還是非常有意義。