績效理論在曲軸箱芯熱芯盒優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

劉光清，馮文榮，劉文川

（1.南充職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，四川南充 637100；2.西南石油大學(xué) 工程學(xué)院，四川成都 610500；3.西南內(nèi)燃機(jī)配件總廠，四川南充 637100）

0 前言

在機(jī)械制造領(lǐng)域，車用發(fā)動機(jī)氣缸體類鑄鐵件無疑是世界民用機(jī)械產(chǎn)品中生產(chǎn)難度最大的典型復(fù)雜薄壁鑄件，也是目前全世界生產(chǎn)量最大的鑄鐵件，而其氣缸體的曲軸箱芯相應(yīng)亦是制作的最大量之砂芯。該類砂芯質(zhì)量好壞，直接影響著氣缸體類鑄件的（內(nèi)在）表面質(zhì)量及其鑄件產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，故而其制作工藝中熱芯盒的優(yōu)化設(shè)計(jì)通常是相關(guān)鑄造工作者長期研究的主要課題之一。

對于氣缸體曲軸箱芯及制作工藝，雖已有較多的資料[1-5]對其進(jìn)行研究，但因研究對象不同,研究尚有不全之處。根據(jù)筆者團(tuán)隊(duì)近幾年來對國內(nèi)較多的相關(guān)鑄造廠及專業(yè)鑄造模具制作公司（以下簡稱模具公司）的考查了解和研究發(fā)現(xiàn)：一些相關(guān)熱芯盒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尚有較多不盡人意、不盡合理之處。故在此，筆者根據(jù)所在團(tuán)隊(duì)近幾年來共同研究、探索出的心得，針對目前國內(nèi)某廠生產(chǎn)的Z9406 制芯機(jī)制作濕室水道氣缸體（此處以一種六缸氣缸體為典例）曲軸箱芯的熱芯盒作一分析、討論，供同行參考。

1 整體式+懸空式結(jié)構(gòu)存在的不足

按照一些傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，對于氣缸體曲軸箱芯在Z9406 類射芯機(jī)上用酚醛樹脂覆膜砂（抑或用呋喃樹脂砂）熱芯盒工藝制作，通常設(shè)計(jì)圖1a所示的“整體式+懸空式”結(jié)構(gòu)的方案，制作氣缸體曲軸箱類砂芯在生產(chǎn)實(shí)際中主要出現(xiàn)的缺點(diǎn)有以下幾個方面。

1.1 整體式結(jié)構(gòu)，芯盒排氣不暢

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念是盡可能地使得砂芯熱芯盒的結(jié)構(gòu)簡單、制作周期短、制作成本低。由此，設(shè)計(jì)制作出了圖1a 所示的“整體式+懸空式”結(jié)構(gòu)氣缸體曲軸箱類砂芯的熱芯盒。因其是“整體式”結(jié)構(gòu)，一些較深結(jié)構(gòu)出排氣不順暢，于是一些模具公司便在這些排氣不暢之處安裝較大量的“排氣塞”，由此，使得鑄造廠的熱芯盒的維護(hù)工作量大幅度增加。

圖1 整體式+懸空式熱芯盒結(jié)構(gòu)（非優(yōu)化結(jié)構(gòu)）

1.2 曲軸箱芯質(zhì)量均一性差

因其“整體式”熱芯盒的一些較深結(jié)構(gòu)出排氣不順暢，在每一輪（組）排氣塞使用的前數(shù)十件至數(shù)百件砂芯的表面質(zhì)量及其均一性尚有一定的“保障”；而在其后,便因排氣塞被“樹脂油”逐漸阻塞后，砂芯的表面質(zhì)量及其均一性便逐漸變差，以致嚴(yán)重影響其砂芯的正常制作，難以保證鑄件的表面質(zhì)量的技術(shù)要求，乃至氣缸體的正常生產(chǎn)。

1.3 懸空式結(jié)構(gòu)，砂芯出盒不順暢

圖1 所示的“懸空式”結(jié)構(gòu)氣缸體曲軸箱類砂芯的熱芯盒，其取芯程序是：左右盒體開盒（砂芯懸空）—下頂芯板頂起下盒體—手工取芯。因砂芯有一段懸空距離，下盒體頂動砂芯是有碰撞的過程及其空行程：碰撞時會撞壞砂芯，空行程使得“制作砂芯的周期”略有增長。由此，使得砂芯出盒不順暢。

1.4 熱芯盒維護(hù)幾率高，制芯效率低

圖1 所示的“整體式+懸空式”結(jié)構(gòu)氣缸體曲軸箱類砂芯的熱芯盒，因大量的“排氣塞”易阻、砂芯出盒不順暢以及砂芯質(zhì)量均一性差等因素，致使熱芯盒的維護(hù)時間增長，工作量增加，砂芯表面質(zhì)量差的修復(fù)過程而使得熱芯盒的制芯效率偏低。而此結(jié)構(gòu)僅僅是熱芯盒設(shè)計(jì)制作稍簡單而已。

2 鑲塊式+漏模式結(jié)構(gòu)點(diǎn)

根據(jù)筆者所在團(tuán)隊(duì)多年服務(wù)于工廠的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，對圖1 與圖2 結(jié)構(gòu)比較分析及研究認(rèn)為：圖2 所示結(jié)構(gòu)方案比圖1 所示結(jié)構(gòu)方案雖然存在著熱芯盒設(shè)計(jì)制作略微復(fù)雜的缺點(diǎn)，但其可以較好地克服圖1 所示方案存在的諸多不足，應(yīng)是更為優(yōu)化的結(jié)構(gòu)方案。

圖2 鑲塊式+漏模式熱芯盒的優(yōu)化結(jié)構(gòu)

要使圖2 所示方案順利實(shí)現(xiàn)或更為優(yōu)化，還須應(yīng)用績效技術(shù)理論、人類工效學(xué)及美學(xué)等新理念指導(dǎo)其合理的、正確的模具方案設(shè)計(jì)：其一，要有芯盒本體的績效優(yōu)化設(shè)計(jì)；其二，排氣結(jié)構(gòu)鑲塊的合理設(shè)計(jì)；其三，漏模式下盒體的優(yōu)化設(shè)計(jì)；其四，開盒方式的優(yōu)化設(shè)計(jì)等。其需要注重的內(nèi)容或即主要實(shí)施的工藝方案和措施具體闡述如下。

2.1 芯盒本體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

其熱芯盒本體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)原則通常是：在主要保證加熱管布置及熱量分布均衡性良好、蓄熱量適宜及使用壽命較高的條件下，盡可能使得芯盒的本體結(jié)構(gòu)的用材合理、適宜的大小尺寸和重量，以盡可能降低砂芯制作過程中的動能消耗和熱能消耗等。

遵循上述優(yōu)化設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)出的圖2 所示曲軸箱芯的鑲塊式+漏模式結(jié)構(gòu)的熱芯盒本體結(jié)構(gòu)，其主要特征是：800mm×678mm×135mm（長×寬×厚），加熱管9 根。比之于圖1 所示曲軸箱芯整體式+懸空式結(jié)構(gòu)熱芯盒的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的800mm×715mm×155mm，其左右盒體的材料用量減少了20%～25%。而經(jīng)過工廠的生產(chǎn)實(shí)踐表明：其結(jié)構(gòu)合理、使用簡捷、蓄熱量適宜、完全滿足了該類砂芯的正常制作，有效地降低了砂芯制作過程中的動能消耗和熱能消耗等。

2.2 排氣結(jié)構(gòu)鑲塊的合理設(shè)計(jì)

圖3b 所示定位模塊（件號1），為氣缸體曲軸箱芯相互之間“組合”用定位工藝芯頭結(jié)構(gòu)的“定位模塊”及其“鎖緊孔?！钡慕M合模塊（即工藝性鑲塊）。而傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念通常又將其設(shè)計(jì)制作為圖3a所示的“定位模塊”和“鎖緊孔?！狈煮w的結(jié)構(gòu)（圖中的件號1、件號2），其主要存在著本為“鑲塊式”的結(jié)構(gòu)：但一方面，沒有對芯盒內(nèi)腔的“排氣”功能；另一方面還使得“鎖緊孔模”有易松動和使用壽命短的不足。

用上述績效技術(shù)等設(shè)計(jì)理念，將圖1 中件號5、件號6 所示的兩個零件,優(yōu)化設(shè)計(jì)制作為圖2所示的曲軸箱芯的鑲塊式+漏模式的熱芯盒中“定位模塊”及其“鎖緊孔?！钡慕M合模塊——件號5(即一個零件)，其鑲塊及其排氣結(jié)構(gòu)可詳見圖3b所示，主要特點(diǎn)如下。

2.2.1 零部件加工簡化

圖3b 所示的件號1 及其芯盒本體上的安裝結(jié)構(gòu)——過孔（即：鑲塊緊定用標(biāo)準(zhǔn)件的過孔式安裝結(jié)構(gòu)），比之于圖3a 所示的“定位模塊”和“鎖緊孔?！狈煮w的結(jié)構(gòu)的件號1 和件號2、及其芯盒本體上的安裝結(jié)構(gòu)之螺紋孔，其相應(yīng)零部件的加工工時及加工成本要減少40%～50%，大幅地降低了該類零部件及機(jī)構(gòu)的加工成本。

2.2.2 材料用量少

圖3b 所示的結(jié)構(gòu)比之于圖3a 所示的結(jié)構(gòu)，其金屬材料用量少20%～30%左右；較大幅地降低了該類零部件及機(jī)構(gòu)的用料成本。

2.2.3 排氣效果較好

圖3b 所示的鑲塊及其排氣結(jié)構(gòu)，將其模塊與芯盒本體接觸面積的三分之一設(shè)計(jì)制作出排氣槽結(jié)構(gòu)，如圖3b 的排氣間隙e 與s 的“空間”（其e值以0.10～0.15mm 為宜，s 值以0.30～0.50mm 為宜）。由此，利用鑲塊的“自然”間隙可達(dá)到芯盒內(nèi)腔較好的排氣效果。

2.2.4 組合模塊使用壽命長

圖3b 所示的“定位模塊”及其“鎖緊孔模”的組合模塊,比之于圖3a 所示“定位模塊”和“鎖緊孔?！狈煮w的結(jié)構(gòu)：既使得其安裝及維護(hù)（修）簡單和方便，又因其零件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能使其使用壽命較大幅度地延長，同時還減少了模塊的維修工作量、而在一定程度上提高了熱芯盒的制芯效率。

圖3 六缸氣缸體曲軸箱芯熱芯盒工藝性鑲塊及其排氣結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

同理，對于圖2 中的件號1 所示的其本身便是以排氣為最大目的的“結(jié)構(gòu)性”鑲塊、及其鑲塊緊定用標(biāo)準(zhǔn)件的過孔式安裝結(jié)構(gòu)，因其設(shè)置在芯盒的最高處，同樣將其模塊與芯盒本體接觸面積的三分之一設(shè)計(jì)制作出排氣槽結(jié)構(gòu)，三分之二的接觸面積用于傳熱。這樣既可以保證砂芯的“固化”正常，又可以很好地排出芯盒內(nèi)腔的空氣、并較大幅度地減少了排氣塞的安裝數(shù)量，有利于砂芯的射實(shí)——可使得砂芯的表面質(zhì)量較高、均一性良好。

2.3 下盒體漏模式結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

用上述績效技術(shù)等設(shè)計(jì)理念，將圖1 中件號7 所示的不帶砂芯結(jié)構(gòu)之下盒體，設(shè)計(jì)制作為圖2所示的件號7 的帶砂芯結(jié)構(gòu)之下盒體和件號12的模底座，其詳細(xì)結(jié)構(gòu)可見圖4 所示，主要特點(diǎn)如下。

圖4 下盒體及其漏模取芯方式結(jié)構(gòu)簡圖

砂芯底部結(jié)構(gòu)（極少一部分——僅僅底部的0～15mm 的一個芯頭斜面）直接在下盒體上形成，左右盒體開盒后、砂芯在漏模（板）式結(jié)構(gòu)的下盒體（件號7）留置，下頂芯板頂起漏模式下盒體的行程只需15～20mm。由此，具有左右盒體的開盒行程?。▋H為圖1 開盒結(jié)構(gòu)的20%～30%的行程）、下頂芯的行程短（僅為圖1 結(jié)構(gòu)下頂芯的40%～50%左右）。從而，既克服了圖1 結(jié)構(gòu)砂芯存在的被撞壞、砂芯出盒不順暢等不足；又較大幅度地提高了砂芯的制芯效率。

2.4 開盒方式及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖1 所示的熱芯盒開盒結(jié)構(gòu)，為傳統(tǒng)的左、右背板式開盒結(jié)構(gòu)和方式，其左右背板材料用量多，亦通常對射芯機(jī)要求有較大力量的左、右開模機(jī)構(gòu)，以滿足左右背板“懸空”背起左右盒體、以致實(shí)現(xiàn)其長距離的正常開、合模的制芯工藝要求。

用上述績效技術(shù)、人類工效學(xué)及美學(xué)等設(shè)計(jì)理念指導(dǎo)設(shè)計(jì)、制作出的圖2 所示曲軸箱芯之鑲塊式+漏模式結(jié)構(gòu)的熱芯盒方案，對于其開盒方式及結(jié)構(gòu)也是一個極大的優(yōu)化靚點(diǎn)：左、右盒體用壓板（圖2 中的件號2）及其連接件的牽引下，在底框上的耐磨“軌道上”運(yùn)行，只需射芯機(jī)正常的左右開模機(jī)構(gòu)有開、合盒體的“牽引力”便可，免除了左右背板“懸空”背起左右盒體的力量要求。由此，一方面又減少了制作模具的材料用量、圖2 中所示的8～12 個壓板的材料用量僅為圖1 中所示的左、右背板材料用量的5%～10%，使得其較大程度地降低了該類零件的制作成本；另一方面，大幅度地減小了射芯機(jī)左右開、合模結(jié)構(gòu)的要求、降低了制芯過程中的動能消耗、即一定程度上降低了砂芯的生產(chǎn)成本。

綜上對比分析，不難看出圖2 所示的曲軸箱芯之鑲塊式+漏模式結(jié)構(gòu)的熱芯盒方案，比之于圖1 所示的所示曲軸箱芯整體式+懸空式結(jié)構(gòu)熱芯盒的結(jié)構(gòu)方案，可謂是有事半功倍之效，故而因圖2 所示的濕室水道六缸氣缸體曲軸箱芯熱芯盒結(jié)構(gòu)方案為優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。

3 結(jié)語

綜上所述不難看出，不同的設(shè)計(jì)理念對相同砂芯在相似射芯機(jī)上的熱芯盒設(shè)計(jì)所表現(xiàn)出結(jié)果有較大的不同。由此可見，其氣缸體曲軸箱芯的制作工藝的熱芯盒設(shè)計(jì)，的確應(yīng)當(dāng)是鑄造工作者長期研究的工作和課題。

根據(jù)筆者近年來所在團(tuán)隊(duì)的研究心得認(rèn)為，在Z9406 射芯機(jī)上，還有如：底框、頂芯桿、導(dǎo)向桿、耐磨塊結(jié)構(gòu)[6，7]等一些附件可以做到比一些工廠或公司所慣用的一些“傳統(tǒng)”結(jié)構(gòu)更為優(yōu)化的設(shè)計(jì)，以使該類射芯機(jī)相應(yīng)熱芯盒在設(shè)計(jì)、制作、安裝、應(yīng)用及其維護(hù)等過程更為簡便，以及使其盡可能地既降低模具的制作成本，又降低砂芯的生產(chǎn)成本。總之，熱芯盒的設(shè)計(jì)技術(shù)亦需要與時俱進(jìn)，需要行業(yè)工作者大家努力提高。只有這樣，才能使熱芯盒的制作不斷優(yōu)化、創(chuàng)新，以使其更趨可靠、更高的性價(jià)比。