工藝孔數(shù)量及位置分布對水套排氣管鑄造性能的影響

靳寶，何紅雙，田書濤，袁彬，李喜鋒，王育紅

1.西峽縣內(nèi)燃機(jī)進(jìn)排氣管有限責(zé)任公司 河南南陽 474500

2.濰柴動力股份有限公司 山東濰坊 261000

1 序言

內(nèi)燃機(jī)水套排氣管是大功率發(fā)動機(jī)的重要鑄鐵零部件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣。該排氣管分內(nèi)外兩層，內(nèi)層排氣，外層通水，通過循環(huán)水來降低排氣歧管的溫度以及對外的熱輻射，從而降低發(fā)動機(jī)機(jī)艙的環(huán)境溫度，但是雙層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也增加了鑄造的難度。西峽縣內(nèi)燃機(jī)進(jìn)排氣管有限公司從2000年開始試制水套排氣管，經(jīng)過20年的生產(chǎn)實(shí)踐，先后為上柴、康明斯、濰柴、玉柴、華柴等主機(jī)廠開發(fā)了100多種水套產(chǎn)品，在水套排氣管鑄造工藝的研究及生產(chǎn)實(shí)踐上取得了很大進(jìn)展[1]。

工藝孔又稱“ 碗形塞”，是水套排氣管產(chǎn)品上的重要組成部分，對于產(chǎn)品的使用性能來說，它的存在意義不大，但是對水套排氣管的鑄造生產(chǎn)過程來說意義重大，若工藝孔分布的不合理，則很難保證水套產(chǎn)品質(zhì)量。本文從排氣、清理、定位等幾方面，分析了工藝孔數(shù)量及位置對水套排氣管鑄造性能的影響。

2 排氣

水套產(chǎn)品是內(nèi)外兩層，兩層芯子澆注過程中會產(chǎn)生大量氣體，這些氣體都要通過芯頭往上排出，在氣道壁凝固后氣道中的氣體從各個(gè)排氣口排出，但是水腔砂芯所產(chǎn)生的氣體是沒有地方排出的，因此工藝孔的數(shù)量及位置分布，決定了水套產(chǎn)品的澆注能否成形。圖1是澆注過程中的排氣狀態(tài)，從中可以看出發(fā)氣量很大；圖2是實(shí)際生產(chǎn)中水套產(chǎn)品因工藝孔設(shè)置太少，造成澆注不成形的例子。圖2中總長745mm的尺寸，上平面只設(shè)置了3個(gè)工藝孔，且工藝孔尺寸只有φ30mm，在澆注過程中造成嚴(yán)重的排氣不暢。

圖1 排氣管澆注過程的排氣

圖2 水套上平面結(jié)構(gòu)

澆注清理后發(fā)現(xiàn)，上箱平面嗆火嚴(yán)重，幾乎不成形，如圖3所示。經(jīng)過采取更換殼芯用砂粒度、降低砂型硬度等工藝措施，并多次更改，依然沒有解決問題，不能交貨。后經(jīng)與客戶溝通，在上箱平面增加工藝孔數(shù)量（尺寸改為φ40mm，總數(shù)量由3個(gè)增加到7個(gè)），更改后進(jìn)行試驗(yàn)，澆注清理后徹底解決了嗆火問題（見圖4），保證了樣件交付。

圖3 清理后的缺陷鑄件

圖4 更改工藝孔后制作合格鑄件

3 清理

設(shè)置工藝孔的第二個(gè)作用就是便于清理水腔，包括清砂和清理水腔毛刺。清砂就是在澆注后，水腔砂芯潰散，芯砂從工藝孔流出來，同時(shí)在拋丸過程中，鋼丸會通過工藝孔進(jìn)入水腔內(nèi)部，將水腔拋丸干凈。但是如果工藝孔數(shù)量少且分布不均勻，那么鋼丸就不能很順利、均勻地進(jìn)入水腔內(nèi)部，不能將水腔內(nèi)部的粘砂拋丸干凈。如圖5所示，水套產(chǎn)品這個(gè)面只有2個(gè)工藝孔，我們將拋丸后的產(chǎn)品這個(gè)側(cè)面整體解剖開，看內(nèi)腔情況，發(fā)現(xiàn)局部粗糙，拋丸不到位，局部黑砂沒有拋掉，而工藝孔直對位置，拋丸的非常干凈。

圖5 只有兩個(gè)工藝孔的水套清理情況

工藝孔除了清理水腔的潰散芯砂之外，對于加工過程中一些掉入水腔內(nèi)的鐵屑，最終也都要從工藝孔清理出來。因此，工藝孔的位置分布非常重要。

4 定位

工藝孔的另外一個(gè)重要作用是定位。在澆注過程中，由于水腔芯子薄，變形嚴(yán)重，這些變形就造成了水腔壁薄，水腔分型面毛刺嚴(yán)重等鑄造缺陷，而合理的工藝孔位置分布，從工藝孔出來的芯頭，在澆注過程中起到很好的定位作用，可以減少變形、壁薄、毛刺等缺陷。如圖6所示的水套產(chǎn)品，管身其他位置的工藝孔位置基本合理，澆注后沒有出現(xiàn)起皮、嗆火等問題，但是在靠近法蘭位置圈內(nèi)上箱斷芯嚴(yán)重，因?yàn)閺臄嘈疚恢玫阶罱墓に嚳拙嚯x有100mm左右，沒有工藝孔的芯頭支撐，澆注時(shí)斷芯嚴(yán)重。為此，只需在這個(gè)位置增加一個(gè)工藝孔即可。

5 結(jié)束語

對于工藝孔的位置分布問題，提出如下建議。

1）工藝孔中心的位置尺寸要合理，一般兩個(gè)工藝孔中心距離為100～130mm，工藝孔的直徑尺寸建議不要低于30mm，比如我公司2020年剛開發(fā)的新水套項(xiàng)目，水套外徑為200mm，使用工藝孔尺寸為φ50mm，通過近期試制結(jié)果看，徹底解決了嗆火、起皮等問題，缺陷很少。

2）盡量在端頭懸臂位置放置工藝孔，圖6中在靠近法蘭位置增加工藝孔，可以完全解決斷芯問題。

3）在水套產(chǎn)品的兩個(gè)端頭設(shè)置工藝孔，如圖7中六缸水套產(chǎn)品，在兩端位置設(shè)有2個(gè)工藝孔，這兩個(gè)工藝孔保證了兩端清理，同時(shí)從工藝孔出來的芯頭在整體組芯時(shí)起到很好的支撐作用，在專用組芯工裝上組芯，這樣的砂芯澆注的鑄件，解剖后壁厚均勻，可消除分型面毛刺，如圖8所示。

圖7 六缸水套端部工藝孔

圖8 六缸水套解剖狀態(tài)