柴油機氣缸體產品結構鑄造工藝性要素分析

臧加倫，劉慶義（濰柴動力股份有限公司，山東濰坊 261061）

柴油機氣缸體產品結構鑄造工藝性要素分析

臧加倫，劉慶義
（濰柴動力股份有限公司，山東濰坊 261061）

針對幾種氣缸體產品的結構，從鑄造工藝性的角度進行了深入的剖析。氣缸體結構的鑄造工藝性在很大程度上影響了鑄件毛坯的機械性能、鑄造成本、生產工藝流程的復雜程度。

鑄造；鑄件結構；鑄造工藝性

0　前言

氣缸體是內燃機所有零件的安裝基礎，上面有很多安裝孔和表面。內燃機工作時，氣缸體要承受氣體的壓力、各種慣性力和緊固各零部件的預緊力，這使得氣缸體的結構形狀復雜。中小型的內燃機氣缸體多采用鑄造生產，并廣泛采用砂型鑄造工藝。

在設計鑄造氣缸體時，從結構的鑄造工藝性角度來看，應主要關注下述的幾個方面：①外型設計在滿足功能的前提下力求簡單和方便開模，機械化生產的產品外型避免使用活塊；②整個產品內腔由不同的砂芯形成，設計時要考慮鑄造的組芯工藝能否實現(xiàn)，批量生產是否穩(wěn)定可靠；③內腔砂芯的設計充分考慮制芯工藝的可行性，三維造型同時設計分型線和開模斜度，盡量避免倒拔結構；④外型和內腔之間安排一定數量的工藝孔，使砂芯定位和支撐可靠，出氣通暢，清砂方便；⑤氣缸體的壁厚應根據材料的流動性、鑄件大小、結構的復雜程度和生產廠的鑄造工藝水平等來確定。各部分壁厚應盡可能均勻，避免厚大部位產生縮松、縮孔等缺陷。局部地方需要加厚時，從厚斷面到薄斷面的過渡要緩和和圓滑，圓角要適當。

本文主要以濰柴動力幾種產品的氣缸體為例，對產品結構的鑄造工藝性進行分析。鑄造工藝性的優(yōu)劣對鑄造生產工藝過程和毛坯質量產生不同程度的影響。

1　砂芯的定位和固定

氣缸體內腔十分復雜，使用砂芯多，主要依靠鑄出的孔來固定這些砂芯、引出砂芯中氣體、清理出砂芯砂。有些孔是柴油機設計功能需要的；有些孔是鑄造工藝需要的，加工后使用堵蓋堵死，這些孔是工藝孔。工藝孔的主要用途是出砂、排氣、砂芯定位和固定。

砂芯的定位和固定是不同的概念，但有時工藝孔芯頭的作用是兩者兼?zhèn)?。定位是指砂芯在組芯或下芯時的準確程度，一般在定位芯頭沒有涂料的情況下，定位間隙控制在0.3 mm。砂芯的固定是指它在型腔中的牢固程度，如果不牢固，在液態(tài)金屬浮力作用下，很易產生位移（漂芯或斷芯）造成鑄件壁厚不均勻、形狀尺寸不符合要求。對于氣密性要求高的鑄件，盡可能避免用砂芯撐來固定砂芯。

砂芯設計時考慮組芯或下芯時如何定位和固定非常重要。

1.1水套芯

水套芯在氣缸體的前后端都有工藝孔，這些孔主要用于在組芯時水套芯的定位和固定，另外一個作用是用于清理時方便內腔出砂。

圖1和圖2中的①表示了P12氣缸體水套芯一端工藝孔的位置和數量，每端1個。由這個鑄出孔連接定位芯頭②，如果沒有這個工藝孔就不會有定位芯頭，水套芯就沒法固定在芯組當中。

圖1　P12氣缸體水套芯組芯示意圖

由于鑄出孔兩端僅一個，出砂效果不佳，另一個問題是與芯頭連接處的砂芯容易斷裂，給芯子的生產、儲存和運輸帶來麻煩。為解決定位芯頭斷裂問題，只好在水套芯本體和芯頭之間加上一條連接砂柱，起加強作用，在最終組芯時由人工清理掉，見圖3所示。

P10氣缸體水套芯兩端工藝孔有兩處，見圖4所示。它的出砂和定位效果要比P12氣缸體好。

1.2回水道芯、水腔通道芯和進水道芯

圖5表示了P12氣缸體回水道芯、水腔通道芯和進水道芯的工藝孔，分別見①②③所示，這些工藝孔起到兩個作用，一是砂芯在型腔中的定位，二是作為出砂孔方便在清理時清理干凈內腔的芯砂。

這里重點討論一下回水道芯的設計。它的設計考慮了在型腔中的定位，對砂芯在型腔中的固定考慮欠妥，給鑄造工藝帶來難度，同時增加了生產成本。圖6所示，①用于砂芯在型腔中下芯定位，②用于回水道芯在型腔中的固定，③串水孔。

顯而易見，這顆砂芯僅靠固定一端無法克服鐵液澆注時產生的浮力，實際生產出現(xiàn)漂芯或斷芯鑄造缺陷。圖7所示，為解決上述缺陷，解決回水道芯在型腔中固定不牢的問題，需要延長串水孔作為芯頭③，芯頭底部加上兩顆支撐芯座①支撐這六個小芯頭。整體芯組下入型腔時，由枕頭芯②壓住這六個小芯頭，從而將回水道芯固定住，鐵液澆注時整個芯子不會因為鐵液浮力而產生位移。上述工藝措施加大了操作者的工作量，提高了生產成本。

1.3挺桿芯

氣缸體都有挺桿室，挺桿室由挺桿芯形成。挺桿芯的設計主要考慮：砂芯要有足夠的強度防止浸涂和澆注時變形；在主體芯組組裝時能夠定位和固定；留有足夠的出砂孔保證內腔清理干凈。

圖2　P12氣缸體水套芯兩端工藝孔示意圖

圖3　P12氣缸體水套芯加強砂柱示意圖

圖4　P10氣缸體水套芯兩端工藝孔示意圖

P12氣缸體的進水道和回水道均在氣缸體的左側面形成，見圖5所示，挺桿芯的定位、固定只能依靠圖8所示的形成挺桿孔的上下各12個芯頭。對于臥澆的氣缸體工藝，由于挺桿芯投影面積較大，澆注過程中砂芯受到較大的鐵液浮力。實際生產表明，由于形成挺桿孔砂芯的直徑小，挺桿芯澆注過程中出現(xiàn)漂斷芯鑄造缺陷。

為解決上述工藝問題，在整體芯組中形成挺桿芯和水套芯壁厚之間的空隙施放芯撐，共四處，見圖9所示。如果芯撐和鐵液不能很好的融合在一起，該工藝方式就會造成鑄件產生打壓漏氣。

P10氣缸體挺桿芯的設計較P12氣缸體工藝性好，見圖10所示。在水套芯上有四個工藝孔芯頭與挺桿芯配合在一起，在澆注過程中這四個工藝孔芯頭頂在挺桿芯上接受來自挺桿芯上的鐵液浮力，保證挺桿芯不會發(fā)生變形或斷芯。這種設計充分考慮了挺桿芯在組芯和澆注過程中砂芯的定位和固定。

圖5　P12氣缸體回水道芯等工藝孔示意圖

圖6　P12氣缸體回水道芯工藝孔示意圖

圖7　P12氣缸體回水道芯組芯示意圖

圖8　P12氣缸體挺桿芯組芯示意圖

圖9　P12氣缸體挺桿芯撐示意圖

2　砂芯的制芯工藝

氣缸體內腔的設計一定要考慮形成內腔砂芯的制芯工藝是否合理，不恰當的設計會造成制芯工裝設計復雜、生產效率低、生產成本高。內腔的設計要同時考慮：①分型線位置；②開模斜度；③盡量避免倒拔結構；④考慮頂芯和出芯是否方便和可靠。

2.1砂芯的頂芯

P12氣缸體水套芯設計分型線的位置和開模斜度，見圖11中的①②所示；但是砂芯的形狀設計沒有考慮砂芯在芯盒中的頂芯，見圖12中的①所示。由于頂芯面積太小，砂芯要從模腔中頂出非常困難，廢芯率高且效率低。實際生產中為解決上述問題將射砂孔加大，但射砂對模具損害大，砂芯取出后需要人工修芯。

與P10氣缸體水套芯相比，后者的砂芯結構留有面積足夠大的頂芯位置，頂芯桿直徑大，砂芯很容易從模腔中頂出。見圖13所示，頂芯面積足夠大。

圖10　P12氣缸體挺桿芯組芯示意圖

圖11　P12氣缸體水套芯側面視圖

圖12　P12氣缸體水套芯底部正視圖

圖13　P10氣缸體水套芯底部正視圖

圖14　T項目氣缸體后端結構示意圖

2.2避免倒拔

由于結構功能要求，P7氣缸體后端齒輪室結構設計造成后端芯開模出現(xiàn)倒拔，在結構設計中應盡量避免。在小批量樣試生產中，如果制芯使用手工芯盒，此處結構可以使用活塊處理。如果是批量生產工藝，使用機器制芯，那么工裝的設計結構就會復雜化，需要在芯盒中設計氣缸抽拉活塊?；顗K位置帶限位開關，與設備控制單元相連接，上下模開合前，氣缸接受指令抽拉活塊，活塊的位置由限位開關反饋到控制單元。

圖14表示了氣缸體后端結構阻礙開模的位置①兩處；圖15表示了在工裝結構中，為解決開模受阻問題加了對應的兩個活塊，需要使用氣缸抽拉，增加了模具制作和維護成本。

3　砂芯的排氣和清砂

在鑄型澆注后，砂芯處于高溫液體金屬包圍之中，在其內部要產生大量氣體，這些氣體必須通過芯頭迅速排出，否則會使鑄件產生氣孔等缺陷。在澆注后，砂芯還必須方便地從鑄件中清理出來。因此在設計鑄件內腔結構時，除考慮制芯工藝外，還必須考慮：①保證氣體從砂芯中排出；②方便、可靠地從內腔中清理出芯砂。

砂芯中的氣體是通過芯頭被引出鑄型，因此芯頭的大小即鑄件壁上孔的大小必須與砂芯的體積即鑄件內腔的體積相適應，否則砂芯中氣體來不及排出。

3.1水套芯

圖16中①示意了P12氣缸體水套芯的6個工藝孔，它們的作用是排氣和清砂，另外是防止砂芯在澆注過程中砂芯的向上移動即漂芯。P12氣缸體水套芯的出砂孔以上述的6個工藝孔為主，另外氣缸體兩端各1個工藝孔②、頂面24個小串水孔③也起到輔助出砂的作用。與P10氣缸體水套芯相比，后者在氣缸體的右側面又加了4個工藝孔用于砂芯的固定和出砂，效果比P12氣缸體要好，見圖17所示。

3.2挺桿芯

P12氣缸體挺桿芯的出砂孔見圖18中①②所示。這些孔是柴油機功能設計必需有的孔，它同時滿足了挺桿芯鑄造后清砂的要求。由于①所示的孔毛坯出砂面積小，效果不好。實際生產確實存在內腔清理不干凈的情況。P10氣缸體挺桿芯的出砂孔見圖19中的①②③所示。①所示的孔毛坯出砂面積大，效果好。另外它比P12挺桿芯多了③所示工藝孔，這些工藝孔的作用有兩個，一是方便挺桿芯出砂，二是在澆注過程中起一定的支撐作用。

圖15　T項目氣缸體后端芯盒結構示意圖

圖16　P12氣缸體水套芯工藝孔示意圖

圖17　P10氣缸體水套芯出砂孔示意圖

圖18　P12氣缸體挺桿芯出砂孔示意圖

圖19　P10氣缸體挺桿芯出砂孔示意圖

4　毛坯的清理

產品結構的設計除充分考慮以上要素外，還要注意鑄件毛坯的清理需要，保證方便可靠地把砂芯與砂芯之間的劈縫、毛刺清理干凈。

圖20中①示意了P12氣缸體水套芯與水腔通道芯的分芯面位置，在這個位置毛坯要形成劈縫。由于水腔通道芯與水套芯連接的通道走勢過于陡峭，毛坯在分芯面形成的劈縫在清理時看不到，清理非常困難。實際生產中，為清理這些劈縫制作了專用工具，毛坯檢查時用到內窺鏡。為解決清理劈縫困難的問題，在氣缸體毛坯的批量生產工藝中，在此分芯面位置加上了石棉墊來防止此處形成劈縫。但這樣做增加了操作工序和物料消耗，增加了毛坯的成本。

圖21中①示意了T項目氣缸體水道芯與水套芯的分芯面位置，在這個位置毛坯要形成劈縫。但是這個劈縫藏在鑄件內部，無法清理。為解決此問題，在劈縫形成位置的對面需要設計工藝孔②，這個工藝孔的作用就是為了清理澆注后形成的鑄件劈縫。

5　結論

產品的設計在保證柴油機功能性的前提下，應充分考慮結構的鑄造工藝性。氣缸體的結構設計應考慮的基本的鑄造工藝要素包括：①外形的脫模是否滿足造型工藝的要求；②內腔砂芯的分模是否滿足制芯工藝的要求；③砂芯有無定位或固定工藝孔，位置是否合理；④砂芯出砂孔、排氣孔的工藝性；⑤毛坯清理孔的工藝性。

在滿足基本的鑄造工藝性的前提下，才能保證氣缸體毛坯的生產工藝流程簡單可靠，鑄件質量穩(wěn)定、成本低。

圖20　水套芯與水腔通道芯分芯示意圖

圖21　T項目氣缸體水套芯與水道芯分芯示意圖

［1］ 臧加倫，齊建，劉云云.V型柴油機氣缸體鑄造工藝設計［J］.中國鑄造裝備與技術，2014（2）.

［2］ 劉佑平.灰鐵冶金質量對柴油機氣缸體縮孔缺陷的影響［J］.中國鑄造裝備與技術，2002（5）.

Structure Analysis of the Diesel Engine Cylinder Blocks upon the Casting Process

ZANG JiaLun， LIU QingYi
（Weichai Power Corp. Ltd， Weifang 261001， Shandong， China）

This article analyses deeply the structure of cylinder blocks of our company from the point of the casting process. The casting process character of the cylinder block structure infl uences greatly the mechanical property， the casting cost and the production process fl ow of the blank.

Casting； Structure；Process character

TG242.7;

A；

1006－9658（2015）02-0013-06

10.3969/j.issn.1006—9658.2015.02.005

2014-11-24

稿件編號：1411-716

臧加倫（1965—），男，高工，從事柴油機機體缸蓋的鑄造工藝開發(fā)工作.