缸蓋類熱芯盒結(jié)構(gòu)對砂芯質(zhì)量的影響

劉繼波，張聚輝，呂清軻，陳玉英

（1.濰柴重機股份有限公司濱海鑄造廠，山東濰坊261108；2.濰柴動力（濰坊）鑄鍛有限公司，山東濰坊261001）

缸蓋類熱芯盒結(jié)構(gòu)對砂芯質(zhì)量的影響

劉繼波1，張聚輝1，呂清軻2，陳玉英2

（1.濰柴重機股份有限公司濱海鑄造廠，山東濰坊261108；2.濰柴動力（濰坊）鑄鍛有限公司，山東濰坊261001）

隨著熱芯盒制芯在鑄造行業(yè)的廣泛應(yīng)用，芯盒的結(jié)構(gòu)、種類不斷增加，特別是“細長型”的芯盒結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的制芯問題更是層出不窮。通過介紹發(fā)動機氣缸蓋用砂芯在熱芯盒制芯過程中常見的幾種典型問題，對這些問題產(chǎn)生的原因進行分析，并提出一定的解決措施，總結(jié)出芯盒結(jié)構(gòu)對砂芯質(zhì)量的影響，以推廣其適用范圍。

熱芯盒；制芯；砂芯缺陷；變形

熱芯盒制芯由于具有生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)周期短，砂芯質(zhì)量高（強度高，表面光潔，尺寸精確），砂芯不易吸潮等特點[1]，在生產(chǎn)實踐，特別是在氣缸蓋用復(fù)雜砂芯生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。

為適應(yīng)產(chǎn)品的多樣化，我廠近期開發(fā)使用了一種新型的熱芯盒制芯機，最大射砂面積（左右×前后）：1 000 mm×100 mm，最大芯盒尺寸（長度×寬度×厚度）：1 100 mm×350 mm×（150+150）mm，與其他結(jié)構(gòu)的熱芯盒相比，此類熱芯盒屬于“細長型”，在加熱狀態(tài)下更易產(chǎn)生變形，且變形量更大，若設(shè)計時考慮不全面，將嚴重影響砂芯制芯質(zhì)量。

1 熱芯盒的變形

熱芯盒制芯一般是在電或煤氣加熱情況下進行的，溫度一般在200℃～300℃之間，所以熱芯盒在反復(fù)加熱冷卻的工作環(huán)境下，有關(guān)的部件都會因為受熱而膨脹變形。因此，在設(shè)計中必須充分考慮由熱膨脹帶來的影響，對芯盒結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進，否則芯盒就會出現(xiàn)“咬死”、“起拱”、直線度與平面度超差等現(xiàn)象，輕則影響砂芯制芯質(zhì)量，重則甚至導(dǎo)致芯盒報廢。

影響熱芯盒變形的原因較多，一般從以下幾方面考慮：

1）模具的材質(zhì)：不同的材料其強度、比熱容、熱膨脹、加工等性能不同，芯盒材料的選擇就非常重要，直接影響模具的使用壽命以及砂芯的質(zhì)量和成本。

2）模具的結(jié)構(gòu)：設(shè)計時一般需考慮本體結(jié)構(gòu)、定位機構(gòu)、導(dǎo)向機構(gòu)、頂芯復(fù)位機構(gòu)、底框等連接機構(gòu)。

3）模具的工作環(huán)境：一般包括加熱方式、加熱溫度等，不同的加熱方式、加熱溫度將導(dǎo)致模具的變形方向、變形量均會發(fā)生不同的變化。

4）其他因素：例如熱處理不到位、設(shè)備老化磨損、加熱裝置加熱不均（加熱管）等等。

2 常見問題及解決措施

2.1 分型面整體合模不嚴

新制熱芯盒在驗證過程中經(jīng)常存在分型面處整體間隙大，合模不嚴的現(xiàn)象，導(dǎo)致砂芯形成凹槽或產(chǎn)生厚大批縫造成尺寸超差，此種缺陷修補困難，極易造成砂芯報廢，影響生產(chǎn)效率，嚴重時導(dǎo)致生產(chǎn)不出合格砂芯。

分型面大面積跑砂造成砂芯缺陷如圖1所示。

圖1 分型面大面積跑砂造成砂芯缺陷

2.1.1 原因分析

1）新制芯盒尺寸不合格

因加工精度不高，或芯盒本體在裝配、拋光等后處理過程中過度打磨，造成芯盒尺寸超差，合模不嚴。

2）芯盒體發(fā)生熱變形

如果芯盒材料不符合要求、工裝設(shè)計不合理、本體熱處理不到位或是芯盒加熱方式不當，都極易造成芯盒變形，導(dǎo)致芯盒分型面間隙變大，跑砂。

3）設(shè)備原因

部分熱芯盒射芯機由于使用時間較長，設(shè)備與芯盒支撐、定位等位置都有不同程度的磨損，導(dǎo)致芯盒安裝到設(shè)備之后，芯盒分型面不能有效地配合，間隙過大，導(dǎo)致跑砂，嚴重者還會產(chǎn)生噴砂現(xiàn)象，使工作環(huán)境更加惡化。

2.1.2 解決措施

1）新制模具必須保證尺寸合格，在所有制作工序完成后，可通過三維坐標檢測或三維光學(xué)掃描等措施，對模具尺寸進行嚴格把關(guān)。

2）熱芯盒制芯在高溫下生產(chǎn)，所以芯盒受熱膨脹是必然的，因此解決芯盒變形主要以降低變形程度為主：

①選用合理的芯盒材料。因為熱芯盒模具的工作條件十分惡劣，不僅在250℃左右受周期性的一定壓力的高速砂流沖擊和沖刷，同時還要提供熱芯盒樹脂固化所需的熱源，故熱芯盒材料應(yīng)該選用比熱容大、導(dǎo)熱性好、熱膨脹小，熱穩(wěn)定性好，在高溫下具有較高的強度和耐磨性、耐腐蝕且易于加工等性能的材料[2]。我廠的熱芯盒本體材質(zhì)一般選擇HT250或H13模具鋼。

普通鋼的導(dǎo)熱性較好，但其比熱容比鑄鐵小，鑄造性能及機加工性較差，且變形大，成本高，故芯盒本體很少采用，主要于鑲塊、頂桿、定位銷套等附件。

②芯盒本體預(yù)先進行熱處理。以HT250熱芯盒本體為例，在加工前必須進行退火熱處理：加熱至550℃～650℃，保溫3 h～4 h，爐冷卻到200℃后空冷，以減小芯盒本體的變形量。

③采用合理的加熱方式。新制熱芯盒在驗證過程中應(yīng)采取階梯加熱的方式，避免一次加熱導(dǎo)致加熱過快，芯盒變形。實踐表明，階梯加熱的方式能有效減輕熱芯盒變形傾向，延長芯盒壽命。

④芯盒設(shè)計時采取反變形。對于復(fù)制芯盒，可根據(jù)以往變形趨勢，在工裝制作時加一定反變形量，減小制芯過程中芯盒變形，此種方式主要根據(jù)經(jīng)驗確定。

3）合理的芯盒結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠有效減輕芯盒變形程度，工裝設(shè)計時應(yīng)根據(jù)熱芯盒設(shè)計原則結(jié)合實踐經(jīng)驗進行設(shè)計。

4）由于設(shè)備原因?qū)е碌男竞信浜祥g隙過大，應(yīng)該采取決調(diào)節(jié)熱芯盒設(shè)備的方式來解決分型面合模不嚴。

2.2 分型面局部合模不嚴，芯盒本體發(fā)生“凹”或

“凸”變形

以我公司MRD20T熱芯機用熱芯盒為例，在制芯過程中，芯盒發(fā)生了不同程度的“凹”或“凸”熱變形。同時，隨著加熱溫度的不斷遞增，也會發(fā)生“凹凸交替”的變形。當加熱溫度180℃＜T＜220℃時，芯盒發(fā)生“凹”變形；當220℃＜T＜280℃“凸”變形，溫度越高變形量越大，變形方式也越復(fù)雜，有時最大變形量到1.5 mm.如圖2、3、4所示。

圖2 芯盒本體發(fā)生“凹”變形

圖3 芯盒本體發(fā)生“凸”變形

圖4 工裝變形導(dǎo)致的制芯跑砂

2.2.1 原因分析

在常溫環(huán)境下，芯盒合模間隙在使用要求范圍內(nèi)，但經(jīng)加熱后芯盒本體發(fā)生了一定程度的變形。

2.2.2 解決措施

芯盒結(jié)構(gòu)設(shè)計時可根據(jù)砂芯產(chǎn)品結(jié)構(gòu)采用不同設(shè)計方案。

1）若產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為單體，可采用“分體”式的結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 芯盒本體為“分體”式結(jié)構(gòu)

此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是：加熱均勻，芯盒變形量小，而且合模間隙方便調(diào)節(jié)。隨著加熱溫度的不斷變化，芯盒的變形方式和變形量均隨之不斷變化，芯盒不同位置變形量也會不同，因此需要針對不同位置做出不同的調(diào)節(jié)。

缺點是：①因是電加熱，加熱管電線布置在芯盒底部，芯盒在不斷的翻轉(zhuǎn)工作過程中易磨損，使用壽命短；另外，此結(jié)構(gòu)維修時不方便更換。②在使用過程中，合模間隙變化大，需不斷調(diào)節(jié)。

2）若產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為單體，也可采用“整體”式的本體結(jié)構(gòu)。

此類結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是：模具驗證合格后，合模間隙變化小，不需要經(jīng)常調(diào)節(jié)；芯盒本體強度高，操作維修方便。

缺點是：因加熱管橫穿布置在芯盒體內(nèi)，而加熱管一般是中間溫度高，頂端溫度次之，接線端溫度最低，每個區(qū)間的溫差約有20℃，加熱管長度越長溫差越明顯，這樣就導(dǎo)致芯盒加熱不均勻，變形量大。

此結(jié)構(gòu)芯盒若要降低變形，除采取選擇合適的材料、徹底的退火處理、合理的加熱方式等措施外，還需進行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計。經(jīng)實踐驗證，以下結(jié)構(gòu)設(shè)計可有效解決芯盒變形，提高砂芯成型率，如圖6所示。

圖6 單體產(chǎn)品用芯盒結(jié)構(gòu)（單位：mm）

在整個芯盒體分型面?zhèn)染鶆虿贾靡粭l“縫”，寬度2 mm～3mm，深度為芯盒有效壁厚的2/3為宜，如圖6a）中畫圈的部分為防止應(yīng)力集中影響模具使用壽命，在此縫的根部要鉆通一個直徑為6 mm～8 mm的孔。

3）若產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為連體，則必須采用“整體”式的本體結(jié)構(gòu)。

此種結(jié)構(gòu)的芯盒變形比較復(fù)雜，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的不同，型腔內(nèi)部掏空程度隨之不同，在加熱狀態(tài)下可能發(fā)生“凹”變形或“凸”變形，甚至隨著加熱溫度的遞增也可能發(fā)生“凹凸交替”的變形，因此芯盒在結(jié)構(gòu)設(shè)計時要充分考慮各種潛在風(fēng)險。

實踐驗證發(fā)現(xiàn)，解決熱芯盒變形最有效的方法之一就是加厚芯盒體的壁厚，芯盒體的強度得到提高，變形明顯降低。但是，在現(xiàn)實的生產(chǎn)中受制芯設(shè)備制約，芯盒體的壁厚不能隨意增大。仍以MRD20T熱芯機為例，要求芯盒最大外形尺寸為1 100 mm× 400 mm×（200+200）mm，最大芯盒重量600 kg，若芯盒體壁厚尺寸太大，將會超出該設(shè)備的額定載荷，甚至導(dǎo)致工裝無法使用而報廢。

除適當增加芯盒壁厚外，以下幾種結(jié)構(gòu)形式也可有效降低整體“細長型”芯盒變形對砂芯質(zhì)量帶來的影響。以我公司某產(chǎn)品用熱芯盒為例，為緩沖加熱過程中芯盒本體內(nèi)部的應(yīng)力集中，減小變形量，在芯盒本體背部采用“割縫”的方法。如圖7中畫圈位置所示。

2.3 芯盒內(nèi)腔局部間隙大，制芯局部跑砂。

新制熱芯盒在驗證過程中常常出現(xiàn)由于排氣不暢或內(nèi)腔局部配模不嚴、間隙大等原因?qū)е鲁霈F(xiàn)射砂不實缺陷，導(dǎo)致砂芯廢品率高，驗證周期變長。如圖8所示。

圖7 連體產(chǎn)品用芯盒結(jié)構(gòu)

圖8 砂芯射不實

2.3.1 原因分析

1）排氣塞或排氣槽過少，排氣能力不足，射砂過程中氣體不能及時排出。

2）內(nèi)腔局部配模不嚴、間隙大（大于0.1 mm），射砂過程后期高氣壓的壓縮空氣將原本填滿的砂子吹到其他位置，導(dǎo)致此處砂芯不完整。

3）排氣位置不合理導(dǎo)致射砂不實。

2.3.2 解決措施

1）排氣不足解決措施

①可在射砂不實處增加排氣塞或排氣槽；

②通過頂芯桿加強排氣。

a）修磨頂芯桿。工裝部分位置頂芯桿可以做成多邊形狀，利用頂芯桿間隙進行排氣。

b）頂芯桿增加排氣塞。在設(shè)計時可將頂芯桿設(shè)計成帶有排氣塞方式來增加排氣，如圖9所示。

圖9 頂芯桿加排氣塞（單位：mm）

2）熱芯盒在高溫狀態(tài)下，內(nèi)腔局部配合間隙加大、配模不嚴是不可避免的，特別是壁厚較小的部位。要想解決這種問題就需要一些技巧性的結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖10所示。通過實踐證明，此局部凹凸配合結(jié)構(gòu)有效解決了此類缺陷。

圖10 芯盒局部凹凸配合結(jié)構(gòu)

3）芯盒排氣位置如果設(shè)置不合理會導(dǎo)致射砂過程中該處射砂壓力減小，充填能力變差。如圖11所示砂芯，在如圖所示兩處加排氣槽后，射砂時氣體從排氣槽排出，砂子充填芯頭處壓力減小，射砂不實。驗證時將該處排氣槽封住后再加頂芯桿排氣，射不實缺陷得到解決。

圖11 排氣位置不合理導(dǎo)致射砂不實（單位：mm）

3 結(jié)束語

制芯過程中砂芯缺陷的產(chǎn)生原因復(fù)雜，根據(jù)遇到的問題，采取合理的解決措施，能夠減小模具驗證周期，提高砂芯出品率，以保證生產(chǎn)順利進行。

參文考獻：

［1］中國機械工程學(xué)會鑄造分會.鑄造手冊:第五卷：鑄造工藝［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2003：1.

Influence of Hot Core Box Structure on the Quality of Sand Core

LIU Ji-bo1，ZHANG Ju-hui1，LV Qing-ke2，CHEN Yu-ying2
（1.Binhai Foundry，Weichai Heavy machinery CO.，LTD.，Weifang Shandong 261108，China；2.Wetchai Power Casting and Forging CO.，LTD.，Weifang Shandong 261001，China）

As the hot core box coremaking widely being used in foundry industry，the structure and type of the core box is increasing and many core making problems appears in the production，especially for“slim”type core box.In this paper，several typical problems in the hot core box coremaking of the engine cylinder head sand core were introduced and analyzed.The solving measures were put forward and the influence of the core box structure on the quality of the sand core was summed up，which make for its application field.

hot core box，core，sand core defect，deformation

TG242.7+1

A

1674-6694（2017）01-0016-04

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2017.01.006

2016-10-11

劉繼波（1977-），男，碩士，工程師，主要從事鑄造工藝研究和管理工作。