萬噸汽油發(fā)動機汽缸體及干式缸套柴油發(fā)動機汽缸體消失模生產(chǎn)線建設

許少紅

（天津市龍鑫匯/瑞普天晟汽車零部件制造有限公司，天津武清 301701）

我公司是大批量專業(yè)生產(chǎn)汽車發(fā)動機零部件的廠家，在國內(nèi)擁有十幾家汽車主機廠的市場資源。為發(fā)展壯大企業(yè)，以使企業(yè)在激烈的市場競爭中立于不敗之地，2008年公司決定：利用現(xiàn)有的市場資源，逐步上馬發(fā)動機汽缸體鑄造及深加工，直至生產(chǎn)發(fā)動機動力總成項目。為此就低合金鑄鐵發(fā)動機汽缸體鑄造項目進行了調(diào)研，并決定上一條萬噸消失模生產(chǎn)線用于生產(chǎn)汽油發(fā)動機汽缸體。

1 汽缸體鑄造項目組織調(diào)研及立項

低合金鑄鐵汽缸體鑄造造型工藝種類有好幾種，基于公司基本條件及天津市對環(huán)境保護愈來愈高的要求，公司考慮是否可以采用稱為“21世紀的鑄造綠色環(huán)保工程”的消失模鑄造工藝來生產(chǎn)低合金鑄鐵汽缸體，當時國內(nèi)還沒有批量生產(chǎn)低合金鑄鐵（帶缸套）汽缸體成熟經(jīng)驗，為此而展開項目組織調(diào)研。

1.1 項目組織調(diào)研

經(jīng)過走訪多位消失模鑄造工藝專家教授，組織調(diào)研消失模鑄造模具專業(yè)制造廠、消失模鑄造設備生產(chǎn)廠家、消失模工藝鑄造廠及有關材料生產(chǎn)商后，得到如下結論：在國內(nèi)最近幾年，消失模鑄造工藝得到了飛速發(fā)展，特別是在灰鑄鐵鑄件方面則更為突出。消失模鑄造用專用材料、模具、設備以及專用生產(chǎn)線已具備生產(chǎn)高端、高附加值產(chǎn)品（如汽油發(fā)動機及干式缸套柴油發(fā)動機汽缸體）的條件。在同等規(guī)模情況下，消失模鑄造工藝在設備投資、員工工作條件、污染物排放、能耗等方面要優(yōu)于其他工藝。

1.2 項目立項

公司采用真空消失模全自動生產(chǎn)線生產(chǎn)發(fā)動機汽缸體、排氣管，并已通過能耗評估和環(huán)保許可（津武環(huán)保許可表[2010]036號）。將建設國內(nèi)第一條萬噸消失模生產(chǎn)線用于生產(chǎn)汽油發(fā)動機汽缸體，要求其工藝技術達到國際先進、國內(nèi)領先水平。項目被列入2009年度天津市重點項目。

2 項目總體技術方案

2.1 設計的基本原則

采用生產(chǎn)線大批量生產(chǎn)方式，實現(xiàn)優(yōu)質、高效、低耗、低污染，保證滿足環(huán)保要求的前提下，達到年產(chǎn)1萬t汽缸體能力。

2.2 設計的總體要求

（1）主要產(chǎn)品：材質為低合金HT250的汽油發(fā)動機汽缸體及干式缸套柴油發(fā)動機汽缸體，球墨鑄鐵排氣管。

（2）生產(chǎn)線節(jié)拍：30箱/h。

（3）通過能耗評估和環(huán)保許可。

3 生產(chǎn)工序的設置及技術工藝方案

以40 kg/件重汽油發(fā)動機汽缸體為生產(chǎn)線設計主產(chǎn)品，按1件/min的生產(chǎn)效率設計各生產(chǎn)工序及技術工藝方案。

3.1 消失模模型制造

3.1.1 模具設計制造

消失模鑄造用模具有其特殊性，每鑄造一個鑄件需用模具制造一個泡沫塑料模樣，一般情況下，模具設計直接影響以后的鑄造工藝，因此模具設計一定要和鑄造工程師一起來完成。帶缸套汽缸體消失模鑄造在模具方面，最關鍵是如何確保缸筒以及和曲軸位軸線的形位公差。

3.1.2 模料預發(fā)及熟化

低合金HT250的汽油發(fā)動機汽缸體及球鐵排氣管采用STMMA料，干式缸套柴油發(fā)動機汽缸體采用EPS料，用同一臺預發(fā)機預發(fā)后，在熟化倉中熟化4 h.

3.1.3 模片成型及熟化

模片成型是在液壓半自動成型機上來完成，通過模具的優(yōu)化設計實現(xiàn)汽缸體模樣缸套和曲軸箱體一次成型，小型汽油機缸體甚至連同澆注系統(tǒng)也一次成型，從根本上解決了變形及尺寸精度問題，同時最大限度的降低了黏膠對鑄件質量的影響。為使模樣中水分及發(fā)泡劑擴散揮發(fā)保持尺寸穩(wěn)定，以及減輕發(fā)泡劑對鑄造過程的不利影響，需將模樣在常溫條件下自然熟化15 d.

3.1.4 模片烘干

模片及成形澆注系統(tǒng)在組粘成完整模樣之前，需在（50±5）℃，相對濕度小于40%條件下，烘干至恒重。采用獨立的烘干室用于模片烘干。

3.1.5 粘接組合

帶缸套汽缸體模片結構復雜，目前采用人工粘接方式，為能有足夠的操作時間，而采用冷膠，澆注系統(tǒng)則用熱熔膠。在滿足粘接前提下，一定要盡力少用膠。外部粘接縫可用美紋紙粘貼以改善表面質量，美紋紙粘貼后無需烘干，可直接浸涂耐火涂料，以防美紋紙和模樣開裂。

3.1.6 浸涂耐火涂料及烘干

成功的采用某公司生產(chǎn)的國產(chǎn)消失模涂料用于帶套汽缸體，經(jīng)過試驗對比，該涂料綜合性能很好，性價比極高，特別是抗開裂性能優(yōu)良，這一點要優(yōu)于外資企業(yè)消失模涂料，對于帶水套汽缸體最為重要。采用3個獨立450 m3烘干室，按涂料次數(shù)分別烘干。烘干修補好的模型組放置在一個獨立的恒溫干燥烘干室待造型澆注。

3.2 合金鐵水熔煉

3套600 kW，IGBT串聯(lián)逆變中頻電源，配3套1 t帶磁軛的鋼殼爐體，組成3 t/h鐵水熔煉能力。

3.2.1 配料

在原料庫采用天車電磁吸盤按每爐次集中配料放入料斗中，再用叉車運送至電爐平臺。

為確保產(chǎn)品質量，鐵合金、孕育劑及球化劑均要進行精選，選用質量可靠的產(chǎn)品。

3.2.2 熔煉

采用IGBT串聯(lián)逆變中頻感應電爐熔煉，利用爐前帶儲存打印功能的熱分析儀及防飛濺測溫槍進行成分及溫度控制。

3.3 造型、澆注及冷卻落砂

3.3.1 造型

懸鏈輸送線將烘干修補好的模型組由緩存室輸送至生產(chǎn)線造型工位，由3臺串聯(lián)放置的震實臺按每箱2件造型，30箱/h的速度，實現(xiàn)1件/min的生產(chǎn)效率。

3.3.2 澆注

冶金單軌電葫蘆將熔煉好的鐵水調(diào)運至澆注機進行澆注。

3.3.3 冷卻落砂

鑄件在真空砂箱中冷卻1.5 h后，利用底泄砂機構落砂，鑄件被吊出放入專用箱中，舊砂進入砂處理系統(tǒng)。

4 消失模鑄造生產(chǎn)線的技術特點

這套汽缸體消失模鑄造生產(chǎn)線，其主要技術特點是采用二維圓周運動振動臺分6個工序完成造型工作，采取移動抽真空方式，用全液壓澆注機澆注，實現(xiàn)生產(chǎn)線30箱/h的高節(jié)拍，達到國內(nèi)領先水平。

4.1 熔煉系統(tǒng)

由某中頻設備廠專業(yè)生產(chǎn)的3套600 kW，1 t IGBT串聯(lián)逆變中頻感應電爐，配套智能動態(tài)諧波濾波器組成熔煉系統(tǒng)。

技術特點如下：

（1）節(jié)能型IGBT晶體管中頻電源逆變電壓為2800 V，而傳統(tǒng)可控硅中頻電源逆變電壓僅為750 V，電流小了近4倍，線路損耗大大降低。IGBT晶體管是德國西門康公司生產(chǎn)，配套保護功能的驅動，設備不但節(jié)能，更具有高可靠性。同時配備的鋼殼爐體，由于爐體剛度高，故爐襯壽命比鋁合金爐體要高很多，且爐體由于磁軛的作用，對周圍環(huán)境磁污染少，爐臺可用鋼結構制造。

（2）任何開關、變頻性設備都會產(chǎn)生諧波，智能動態(tài)諧波濾波器能消除中頻電源產(chǎn)生的3次、5次、7次及11次諧波對電網(wǎng)及用電設備產(chǎn)生一定影響，特別是對生產(chǎn)線變頻設備的危害，同時還起到補償，提高中頻電源的功率因數(shù)降低無用功，實現(xiàn)節(jié)能。

4.2 造型系統(tǒng)

造型設備使用1臺三位線性運動振動臺和2臺二維圓周運動振動臺每隔一砂箱位放置一套，形成預加底砂震實；放置模型組并初步固定；雨淋加砂震實至模型組中上部；檢查調(diào)整；雨淋加砂震實完畢；放置塑料模、澆口杯及加保護砂等6個工位。

4.2.1 砂箱及載箱小車

砂箱采用長圓形狀，箱底部及四周對稱部位設置真空室，砂箱底中部裝有新專利底卸砂機構。砂箱放在載箱小車上按節(jié)拍運動至震實臺上方，震實造型時，由震實臺托起與載箱小車分離，載箱小車保持不動，保證輸送線連續(xù)。

砂箱長圓形狀與長方形相比具有如下優(yōu)點：（1）制造簡單，材料利用率高，制造成本低；（2）砂箱剛度高，在震動工作狀態(tài)十分有利；（3）砂箱水平方向無死角，造型砂緊實度均勻，抽真空時，型砂位移小，模型組不易變形，對鑄件尺寸精度有益；（4）造型砂用量有所減少，對砂處理系統(tǒng)有利。

4.2.2 二維圓周運動震實臺

由某公司制造的二維圓周運動震實臺，由于其獨特的工作原理，使得造型砂在水平方向運動、均勻擴散能力很強。當汽缸體模型組造型時，實際表現(xiàn)為造型砂在曲軸箱上凹處及缸體水套窄縫隙處的很好填充緊實，這一點決定著帶缸套汽缸體消失模鑄造的鑄件成形，是能成功應用消失模鑄造工藝生產(chǎn)帶缸套汽缸體的關鍵前提。巧妙的設計安排三套震實臺的布置，將每一個砂箱的造型分6個工位來完成。2 min砂箱移動一次，六工位共計12 min完成一箱造型工作量是完全沒問題的，由此實現(xiàn)生產(chǎn)線30箱/h的高節(jié)拍，是國內(nèi)消失模鑄造生產(chǎn)線節(jié)拍（一般在15箱/h以下）的2倍。

4.3 負壓、澆注系統(tǒng)

采用8工位澆注，砂箱底部與真空系統(tǒng)自動通斷，同時能實現(xiàn)移動抽真空來保證生產(chǎn)線30箱/h的高節(jié)拍。澆注設備采用專利全液壓輪式澆注機澆注。該澆注機是專為消失模鑄造工藝生產(chǎn)線特點設計制造，較為人性化，澆注工易操作。

4.4 冷卻系統(tǒng)

澆注凝固定型后，去掉負壓，鑄件在干砂中自由冷卻1.5 h后，進入落砂工位。

4.5 落砂系統(tǒng)

緩存落砂斗、自動開合門機構及砂箱新專利底卸砂機構組成落砂系統(tǒng)。設計2個砂箱工位底卸落砂，以保障生產(chǎn)線高節(jié)拍要求。

新專利底卸砂機構：新型機構是在第一代專利底卸砂機構基礎上改進而成，耐熱密封件不與熱砂相接觸實現(xiàn)長壽命，特殊密封方式的設計使得砂箱里負壓度越高則密封效果越好，密封蓋板工作時，施加一定的預壓力，即實現(xiàn)良好密封，又防止了脫鉤誤動作，開合密封蓋板無需額外動力。底卸砂機構與翻箱機構比較有如下優(yōu)點：無須龐大的翻箱機構及落砂機，設備投資少，故障率低；無動力消耗；噪音低，易于設置除塵，環(huán)境條件好；鑄件不易碰傷。

4.6 砂處理系統(tǒng)

砂處理系統(tǒng)全部自動工作在密封除塵狀態(tài)下，采用粗篩、螺旋加濕冷卻、磁選、立式冷卻器及細篩工藝，砂處理能力大于45 t/h.

4.7 砂箱輸送系統(tǒng)

輸送線由59套1100 mm×900 mm×900 mm長圓砂箱（含載箱小車），2條平行線，線端頭采用2臺變頻擺渡車組成，全線可實現(xiàn)自動和手動二種模式。

4.8 除塵系統(tǒng)

采用4臺不同除塵器，分別對高溫區(qū)、高濕區(qū)、高粉塵區(qū)及低溫區(qū)進行除塵處理，累計達6萬m3。

5 項目成果介紹

公司采用真空消失模全自動生產(chǎn)線生產(chǎn)發(fā)動機汽缸體、排氣管，并已通過能耗評估和環(huán)保許可（津武環(huán)保許可表[2010]036號）。我公司是國內(nèi)第一個采用萬噸消失模生產(chǎn)線生產(chǎn)汽油發(fā)動機汽缸體的廠家，其工藝技術達到國際先進、國內(nèi)領先水平。消失模工藝在汽車發(fā)動機缸體上的應用，將會縮小我國和國外鑄造水平的差距，由于其市場需求巨大，并且需求不斷增加，故有很好的市場前景。消失模鑄造工藝的節(jié)能減排潛力的發(fā)揮將對環(huán)境保護起到良好的作用。該項目的實施將對天津汽車行業(yè)乃至全國汽車行業(yè)的發(fā)展作出貢獻。

6 結 論

1）二維圓周運動震實臺從應用效果及價位來考慮是消失模鑄造造型設備的首選，特別是復雜鑄件。

2）國產(chǎn)液壓半自動成型機能滿足復雜鑄件模片的生產(chǎn)。

3）國產(chǎn)的優(yōu)質涂料完全能滿足消失模高端鑄件的要求。

4）IGBT串聯(lián)逆變中頻電源，配帶磁軛的鋼殼爐體，可達到2800 V的中頻輸出電壓，實現(xiàn)節(jié)能，并減少了對環(huán)境的磁污染。

5）智能動態(tài)諧波濾波器能避免諧波污染電網(wǎng)的同時實現(xiàn)了節(jié)能。

6）用消失模鑄造工藝在生產(chǎn)線上生產(chǎn)帶缸套汽缸體鑄件，從工藝方面講是可行的，汽缸體鑄件經(jīng)過汽車廠臺架試驗證明，消失模帶套汽缸體鑄件材質能滿足發(fā)動機要求。由于消失模鑄造工藝影響因素很多，有些因素又相互影響（制約），參數(shù)選擇范圍極窄，從而增加了生產(chǎn)控制難度，這就給生產(chǎn)高端消失模鑄件廠家提出全方位高要求，只有每道工序，每個細節(jié)做到位，才會有好的回報。