聯(lián)體氣缸蓋鑄造工藝設(shè)計(jì)探討

孫曉敏,臧加倫,王 勇

（濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東濰坊 261061）

聯(lián)體氣缸蓋鑄造工藝設(shè)計(jì)探討

孫曉敏,臧加倫,王 勇

（濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東濰坊 261061）

闡述了聯(lián)體氣缸蓋鑄造工藝開發(fā)過程中的要點(diǎn)，包括鑄造工藝設(shè)計(jì)和工藝流程設(shè)計(jì)兩方面；對鑄造收縮率、澆注系統(tǒng)等工藝設(shè)計(jì)及制芯、組芯、浸涂工序等流程設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了重點(diǎn)介紹。

氣缸蓋；工藝設(shè)計(jì)；工藝流程

隨著人們環(huán)保意識的日漸提高，柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格；歐洲已于2013年底施行歐Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)。我國柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)緊跟歐洲，將全面實(shí)施國Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)，國Ⅴ甚至國Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)也在不遠(yuǎn)的將來推行。濰柴WP10產(chǎn)品雖然占據(jù)了較大的市場份額，但作為一款老牌產(chǎn)品，其競爭優(yōu)勢在逐漸減少。為做好技術(shù)儲備，保證未來5～15年內(nèi)的競爭力，開發(fā)面向未來市場、性能先進(jìn)的柴油機(jī)對我廠今后的持續(xù)高速發(fā)展意義重大。

1 聯(lián)體氣缸蓋結(jié)構(gòu)分析

H1柴油機(jī)是全新平臺柴油機(jī)，最高爆發(fā)壓力200×105Pa，缸徑116 mm，缸心距144 mm。因此H1氣缸蓋設(shè)計(jì)為四氣門聯(lián)體氣缸蓋（如圖1所示），外觀尺寸969×348×135（mm）,材料為HT325。

圖1 H1氣缸蓋外觀圖

H1氣缸蓋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁厚差別較大（如圖2所示）。進(jìn)氣側(cè)存在螺栓搭子與氣門導(dǎo)管搭子連到一塊的厚大部位，可能會在鑄件上形成縮松缺陷。進(jìn)氣管壁厚5.5 mm，且不易放置冒口補(bǔ)縮。

圖2 H1氣缸蓋壁厚差別大

上水夾層共20個(gè)工藝孔、6個(gè)噴油器孔及6個(gè)串水孔；下水夾層1個(gè)工藝孔、4個(gè)串水孔；滿足鑄造工藝清理及砂芯固定要求。上、下水夾層結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 上下水夾層結(jié)構(gòu)

2 鑄造工藝設(shè)計(jì)

2.1 鑄造收縮率

鑄造收縮率是所有鑄造工藝中最基本的工藝參數(shù)之一。在工藝設(shè)計(jì)時(shí)鑄造收縮率選擇的正確與否直接影響鑄件的尺寸精度和幾何形狀精度。鑄造收縮率主要與鑄造合金成分和砂型、型芯阻力有關(guān)，此外還與鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、壁厚大小等多種因素有關(guān)[1]。

本文通過對本公司現(xiàn)生產(chǎn)的類似缸蓋進(jìn)行多次統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)1%鑄造收縮率偏小，H1氣缸蓋鑄造收縮率設(shè)計(jì)為1.1%?？紤]到進(jìn)氣道芯、上水夾層芯為整體長尺寸覆膜砂熱芯，鑄造收縮率設(shè)計(jì)為1.0%；同時(shí)，因?yàn)榇蟪叽鐭嵝竞兄菩具^程中芯盒本體發(fā)生線性膨脹，砂芯鑄造收縮率設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮熱芯盒的線膨脹系數(shù)。

工藝驗(yàn)證過程中按上述收縮率設(shè)計(jì)的H1氣缸蓋加工、劃線尺寸合格。

2.2 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對H1氣缸蓋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用立澆工藝，將進(jìn)氣管側(cè)放置在砂箱底部。兩層內(nèi)澆口設(shè)計(jì)在螺栓搭子位置，避免鐵液沖刷砂芯；底層內(nèi)澆口盡可能靠近底部，平衡底部薄壁進(jìn)氣管處溫度場，如圖4所示。

圖4 缸蓋立澆工藝

2.2.1 阻流截面確定

鑄件毛坯質(zhì)量390 kg，壁厚5.5 mm，澆注平均壓力頭520×9.8 Pa，采用索伯列夫圖表法初步確定阻流截面積為21 cm2。

澆注系統(tǒng)各組元截面設(shè)計(jì)比例為F直∶F橫∶F內(nèi)=1.1∶1∶1.6，先封閉后開放，既有利于擋渣，又使充型平穩(wěn)。

根據(jù)上述澆注系統(tǒng)截面積設(shè)計(jì)，完成充型模擬三維，經(jīng)Anycasting軟件模擬充型時(shí)間為32 s，澆注時(shí)間過長；加大阻流面積至30 cm2，充型時(shí)間26 s，如圖5所示。最終確定H1氣缸蓋阻流截面積為30 cm2。

圖5 充型時(shí)間26 s

2.2.2 階梯式澆注設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)階梯式澆注系統(tǒng)，底層內(nèi)澆口截面積為28.14 cm2，接近阻流截面積，解決以前澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)雖然設(shè)計(jì)兩層內(nèi)澆口但同時(shí)進(jìn)鐵液的問題。模擬結(jié)果顯示8 s時(shí)僅底層內(nèi)澆口進(jìn)鐵液，至16 s時(shí)澆注液面上升到距離上層內(nèi)澆口約35 mm處上層內(nèi)澆口開始進(jìn)鐵液（如圖6所示）。

圖6 充型過程

2.3 砂芯設(shè)計(jì)

砂芯設(shè)計(jì)時(shí)既要要考慮砂芯間隙、定位、排氣、固定等工藝因素，還要考慮生產(chǎn)現(xiàn)場的設(shè)備能力及與其它產(chǎn)品工藝裝備共用的問題。

2.3.1 砂芯種類

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，每個(gè)缸蓋設(shè)計(jì)為1顆底盤芯、1顆上蓋芯、6顆下夾層芯、6顆排氣道芯、1顆進(jìn)氣道芯、1顆上夾層芯、1顆1#長條芯、1顆2#長條芯、1顆前短邊芯、1顆后短邊芯、2顆定位芯共11種22顆砂芯（如圖7所示）。

將H1缸蓋長條芯（總長度930 mm）分為1#長條芯、2#長條芯，并采用一圓芯頭與另一端芯頭的兩側(cè)面固定；保證了砂芯均在同一車間制芯工部生產(chǎn)，方便生產(chǎn)管理與有序組織。

圖7 分芯設(shè)計(jì)

2.3.2 芯頭設(shè)計(jì)

下夾層芯、排氣道芯等單體砂芯的芯頭間隙設(shè)計(jì)為0.2 mm；進(jìn)氣道芯、上夾層芯等整體砂芯的定位芯頭間隙設(shè)計(jì)為0.3 mm，非定位芯頭間隙0.5 mm；不同的間隙設(shè)計(jì)既實(shí)現(xiàn)了下芯方便又保證了鑄件尺寸精度。

3 工藝流程設(shè)計(jì)

根據(jù)車間現(xiàn)有條件將H1氣缸蓋設(shè)計(jì)在HWS靜壓造型線進(jìn)行樣件試制與生產(chǎn)。機(jī)器人自動(dòng)浸涂，平組立澆，一箱兩件；缸蓋毛坯經(jīng)粗清、去應(yīng)力退火后進(jìn)行振擊除芯、貫通拋丸。

3.1 制芯

根據(jù)兼顧效率與品質(zhì)的原則，合理設(shè)計(jì)制芯工藝；砂芯全部在同一車間制芯工部生產(chǎn)。

(1)上/下夾層芯形成缸蓋的水腔，鑄件內(nèi)腔不允許有粘砂、殘砂及斷芯等缺陷，因此砂子采用高強(qiáng)度寶珠覆膜砂。上/下水夾層芯分別在大山V-top-1135熱芯機(jī)/MRD20T熱芯機(jī)上制芯，垂直分型并將射嘴設(shè)計(jì)到芯頭部位，提高水夾層平面度，改善鑄件內(nèi)腔品質(zhì)。

(2)進(jìn)/排氣道芯在大山V-top-1135熱芯機(jī)/ Z9404W熱芯機(jī)上制芯，采用普通覆膜砂，以避免冷芯易產(chǎn)生的氣道脈紋缺陷。

(3)5種12顆冷芯在MLC25BH冷芯盒射芯機(jī)上制芯，布置在一套芯盒內(nèi)（如圖8所示），提高制芯效率。

圖8 長條芯、短邊芯、定位芯芯盒布置圖

3.2 底盤芯組預(yù)組芯

在缸蓋組芯線使用熱熔膠系統(tǒng)將下水夾層芯、進(jìn)排氣道芯、上水夾層芯、前后短邊芯、1#長條芯、2#長條芯組裝到底盤芯中，在組芯時(shí)同時(shí)使用粘結(jié)劑粘結(jié)，如圖9所示；這樣既可以實(shí)現(xiàn)組芯后快速浸涂，提高效率，又可以有效保證烘干后砂芯間有效固定。

圖9 底盤芯預(yù)組芯

3.3 浸涂、烘干

浸涂機(jī)器人分別夾取底盤芯組、上蓋芯在浸涂池中浸涂杜倫斯涂料，控灰后放在缸蓋涂料表干爐的烘干托盤上進(jìn)爐烘干。

圖10 機(jī)器人浸 涂

3.4 組裝上蓋芯與整體組芯

人工利用上蓋芯組芯機(jī)械手吊起上蓋芯，翻轉(zhuǎn)180°，扣在底盤芯組上，組成單體芯組，如圖11.a所示。

使用整體組芯機(jī)械手，夾取兩個(gè)單體芯組從烘干托盤上轉(zhuǎn)運(yùn)到整體組芯胎具上，底盤芯面對面放置。兩個(gè)芯組采用組芯螺栓把緊之后利用整體組芯機(jī)械手將整體芯組從胎具轉(zhuǎn)運(yùn)到運(yùn)輸托盤上，如圖11.b所示。

圖11 組芯

3.5 造型

在中件二車間HWS造型線造型，一箱兩件。先人工用機(jī)械手將整體芯組分別吊入下芯胎具，再用下芯機(jī)夾取整體芯組下芯。

3.6 清理

缸蓋經(jīng)粗清后由機(jī)械手抓取放置在退火爐臺車上，鑄件進(jìn)退火爐進(jìn)行熱處理；從退火爐出來后經(jīng)平板輸送機(jī)到振擊除芯工序，進(jìn)行振擊除芯。之后人工轉(zhuǎn)移到雙行程懸鏈輸送吊鉤式拋丸清理機(jī)進(jìn)行粗拋丸處理。

樣試階段粗拋、倒丸后人工裝料斗轉(zhuǎn)至人工細(xì)清間進(jìn)行細(xì)清。細(xì)清完成后到機(jī)械手拋丸清理機(jī)進(jìn)行精拋，之后后由行車吊至地面進(jìn)行檢查、入庫。

4 結(jié)論

（1）大尺寸熱芯盒砂芯鑄造收縮率設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮熱芯盒的線膨脹系數(shù)；考慮進(jìn)排氣道閥座的位置精度對柴油機(jī)性能的影響，進(jìn)氣道芯、上水夾層芯鑄造收縮率與外模收縮率應(yīng)取不同的值。

（2）聯(lián)體氣缸蓋立澆工藝宜采用階梯式澆注系統(tǒng)，凝固過程中溫度場溫差小，減小長度方向整體變形量。

（3）綜合考慮車間已有流程的基礎(chǔ)上，合理設(shè)計(jì)制芯、浸涂、組芯、清理的工藝流程，可以提高生產(chǎn)效率和毛坯品質(zhì)。

[1] 李昂，吳密．鑄造工藝設(shè)計(jì)技術(shù)與生產(chǎn)質(zhì)量控制實(shí)用手冊[M].北京：金版電子出版社，2003:421.

[2] 張玉娟;韓志濂;徐駿華.226B氣缸蓋鑄造缺陷的解決[J]. 中國鑄造裝備與技術(shù),2007(1).

[3] 李平,魏伯康,段漢橋,等. 6105缸蓋排氣道殼芯穿芯問題的防止[J]. 中國鑄造裝備與技術(shù),2003(4).

《鑄造》雜志征訂啟事

《鑄造》雜志創(chuàng)刊于1952年10月1日，國內(nèi)外公開發(fā)行（國際標(biāo)準(zhǔn)刊號：ISSN 1001－4977，國內(nèi)統(tǒng)一刊號：CN 21－1188／TG，郵發(fā)代號：8－40）?，F(xiàn)由沈陽鑄造研究所、中國機(jī)械工程學(xué)會鑄造分會主辦，鑄造雜志社編輯出版。

本刊以報(bào)道應(yīng)用技術(shù)為主，堅(jiān)持面向經(jīng)濟(jì)建設(shè)、面向生產(chǎn)實(shí)際，致力于促進(jìn)我國鑄造科技的進(jìn)步和生產(chǎn)的發(fā)展。

本刊內(nèi)容涉及鑄鋼、鑄鐵、鑄造有色合金和特種金屬材料，涵蓋砂型鑄造、壓鑄、熔模精鑄、消失模鑄造等整個(gè)鑄造技術(shù)領(lǐng)域，報(bào)道國內(nèi)外鑄造領(lǐng)域的先進(jìn)科技成果和應(yīng)用技術(shù)，成功企業(yè)的生產(chǎn)及管理經(jīng)驗(yàn)，國內(nèi)外鑄造行業(yè)信息及活動(dòng)等。刊登鑄造國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的解讀文章，介紹企業(yè)開展質(zhì)量管理工作的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)。

《鑄造》雜志為中文核心期刊、中國科技論文統(tǒng)計(jì)源期刊、中國科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫源期刊、美國化學(xué)文摘（CA）源期刊、中國科技文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫源期刊等，被國內(nèi)外20余種數(shù)據(jù)庫收錄。曾榮獲“第二屆國家期刊獎(jiǎng)提名獎(jiǎng)”、“第三屆國家期刊獎(jiǎng)”、“第二屆中國出版政府獎(jiǎng)期刊獎(jiǎng)提名獎(jiǎng)”、“中國北方十佳期刊獎(jiǎng)”等中國出版界重大獎(jiǎng)項(xiàng)，并入選2012“中國國際影響力優(yōu)秀科技期刊”、2013“中國百強(qiáng)科技期刊”。

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《China Foundry》征訂啟事

《China Foundry》（《中國鑄造》英文版，雙月刊），國際標(biāo)準(zhǔn)刊號 ISSN 1672-6421,國內(nèi)統(tǒng)一刊號 CN 21-1498/TG。主要報(bào)道國內(nèi)鑄造領(lǐng)域的新技術(shù)、新工藝、新材料、新裝備以及行業(yè)信息動(dòng)態(tài)等。為國內(nèi)外的企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)、大專院校和行業(yè)組織提供對外宣傳與溝通的機(jī)會，促進(jìn)國內(nèi)外的學(xué)術(shù)交流和經(jīng)濟(jì)、技術(shù)合作。

《China Foundry》主要面向國外發(fā)行，發(fā)行50多個(gè)國家和地區(qū)。為各國從事鑄造科研、教學(xué)、生產(chǎn)、貿(mào)易、采購和信息檢索的有關(guān)機(jī)構(gòu)和人士服務(wù)。

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《China Foundry》為大16開本，全彩色印刷，圖文并茂，制作精美。郵發(fā)代號8-41。國內(nèi)定價(jià)每期24元（含郵寄費(fèi)），國外定價(jià)每期15美元（含郵寄費(fèi)）。

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Discussion of conjoined cylinderhead casting process design

SUN XiaoMin, ZANG JiaLun,WANG Yong
（Weichai Power Co., Ltd., Weifang 261061, Shandong, China）

The article discusses the key points of conjoined cylinderhead casting process, including the design of casting process and workingfl ow; The casting process design such as shrinkage ratio and gating system, the working fl ow as to core making, core assembly, coating etc., are mainly introduced.

cylinderhead; process design; casting shrinkage ratio

TG242；

A；

1006-9658（2016）05-0023-04

10.3969/j.issn.1006-9658.2016.05.006

2016-01-26

稿件編號:1601-1238

孫曉敏（1981—），女，工程師，現(xiàn)從事鑄造工藝開發(fā)工作.