發(fā)動(dòng)機(jī)缸體鑄造用冷芯盒及外模結(jié)構(gòu)優(yōu)化

肖寧寧，宋述同，廉貞松

(1.山東科技職業(yè)學(xué)院，山東濰坊 261053；2.河北北汽福田汽車部件有限公司，河北承德 067000；3.濰柴動(dòng)力（濰坊）鑄鍛有限公司，山東濰坊 261000)

到目前為止，國(guó)內(nèi)外已有較多的工廠使用冷芯盒工藝制作多種類型鑄件的砂芯，在我國(guó)北方地區(qū)冷芯盒制芯推廣應(yīng)用已較為普遍。然而對(duì)于冷芯盒模具的設(shè)計(jì)及制作除一些權(quán)威資料有一定的介紹外，其他研究似乎并不多見(jiàn)。這也導(dǎo)致鑄造模具行業(yè)目前缺乏統(tǒng)一公認(rèn)的設(shè)計(jì)方法，如果客戶沒(méi)有特殊要求，大多數(shù)模具廠習(xí)慣遵從各自的設(shè)計(jì)習(xí)慣。近些年來(lái)，重卡發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的灰鐵鑄造工藝及模具設(shè)計(jì)已日趨成熟，但經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)，一些常見(jiàn)的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在實(shí)際使用過(guò)程中往往并不實(shí)用甚至不合理，會(huì)給模具壽命、生產(chǎn)效率或者產(chǎn)品質(zhì)量帶來(lái)不利影響。筆者根據(jù)近幾年從事相關(guān)行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)在實(shí)際生產(chǎn)中模具結(jié)構(gòu)常見(jiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析，并提出改進(jìn)建議，僅供同行參考，避免設(shè)計(jì)過(guò)程中走彎路，以求共同提升鑄造模具及工藝設(shè)計(jì)水平。

1 冷芯盒結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1.1 射砂板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

10L排量以上發(fā)動(dòng)機(jī)缸體芯盒多為冷芯盒，其中主體芯一般采用大型制芯中心制芯，單側(cè)機(jī)一次射砂能力可達(dá)110～130L，但有的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體受本身結(jié)構(gòu)限制，主體芯質(zhì)量較大，一次射砂量往往不能滿足需要，射出的砂芯多有虛砂、孔洞缺陷，后期通過(guò)修補(bǔ)膏進(jìn)行修補(bǔ)后使用，不僅會(huì)影響生產(chǎn)效率，而且增加了生產(chǎn)成本。修補(bǔ)膏在澆注過(guò)程中還可能脫落形成砂眼缺陷，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的提升帶來(lái)較大隱患。多數(shù)廠家會(huì)在制芯過(guò)程中通過(guò)兩次射砂來(lái)解決射砂不實(shí)的問(wèn)題。但是，二次射砂會(huì)增加制芯時(shí)間，影響制芯效率。因此，如何在一次射砂過(guò)程中滿足砂量需求是解決這類問(wèn)題的關(guān)鍵。

我們給出的解決方案是將原有的射砂板由平板改成凹形板，即在保證射板厚度和開(kāi)模行程的前提下采用射頭面掏空的形式來(lái)提高射頭內(nèi)的容砂量，從而達(dá)到一次射砂量可滿足單側(cè)砂芯制芯需求。修改前后如圖1、2所示。

1.2 射砂嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖1 改前射板結(jié)構(gòu)

圖2 改后射板結(jié)構(gòu)

在射砂量完全滿足需要的前提下，如果砂芯質(zhì)量仍然不佳，就應(yīng)該考慮射嘴結(jié)構(gòu)或布局是否合理。很多模具廠家設(shè)計(jì)的射嘴為收腰式（倒喇叭式，如圖3所示），目的是強(qiáng)化射嘴，提高射嘴使用壽命。但在實(shí)際使用過(guò)程中這種形式的射嘴往往因?yàn)橄虏恐睆竭^(guò)小導(dǎo)致容易堵塞使實(shí)際射砂量減小，砂芯射不實(shí)，而且射嘴也更易因堵砂而脹壞。建議采用圖4所示的直筒式射嘴，射砂通暢，不易堵砂，只要射嘴與上模框射孔間隙設(shè)計(jì)合理，設(shè)備運(yùn)行精度和模具定位精度可保證，該種形式的射嘴壽命反而更長(zhǎng)。

圖3 收腰式射嘴

圖4 直筒式射嘴

1.3 側(cè)抽塊密封形式優(yōu)化

缸體主體芯一般帶有側(cè)抽裝置，以形成缸體砂芯頂?shù)滋幍奶涂战Y(jié)構(gòu)，不僅可以使砂芯重量減輕節(jié)約成本，還有助于澆注成型過(guò)程中砂芯的排氣。但不少模具廠家習(xí)慣采用圖5所示的側(cè)抽結(jié)構(gòu)，即密封條安裝在側(cè)抽板上，沿側(cè)抽棒圓周布置。芯盒鑲塊到芯盒型腔的較大一段距離采用間隙密封，一般間隙設(shè)置為0.1mm。在開(kāi)模取芯側(cè)抽棒抽離過(guò)程中芯砂會(huì)不斷落入密封區(qū)域，導(dǎo)致側(cè)抽棒再回位時(shí)與芯盒密封面產(chǎn)生摩擦。長(zhǎng)期如此，密封面因磨損過(guò)大逐漸失效，此時(shí)密封要靠側(cè)抽板上的密封條進(jìn)行密封。側(cè)抽板一旦變形導(dǎo)致合模不嚴(yán)，將造成砂芯頂?shù)撞繃?yán)重跑砂。這種側(cè)抽結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)在于整個(gè)側(cè)抽棒有兩級(jí)臺(tái)階結(jié)構(gòu)組成，重量較輕。但缺點(diǎn)是密封條距離砂芯型過(guò)遠(yuǎn)，基本起不到密封作用，完全靠間隙密封，芯盒磨損較大，且密封效果差。如果采用圖6所示的三級(jí)臺(tái)階式側(cè)抽形式密封，雖然側(cè)抽重量略有增加，但密封條到型腔距離大大減小，可以充分發(fā)揮密封條作用。且間隙密封區(qū)域采用可換活塊式，當(dāng)磨損較大時(shí)，可通過(guò)更換活塊實(shí)現(xiàn)重新密封，避免大面積修補(bǔ)芯盒，在保證砂芯質(zhì)量的同時(shí)，還可大大降低制造成本。側(cè)抽板盡量采用整體鑄造結(jié)構(gòu)，不要使用焊接結(jié)構(gòu)，因?yàn)楹附影迦绻筇幚聿坏轿?，在使用過(guò)程中易發(fā)生變形，導(dǎo)致側(cè)抽合模不到位，從而發(fā)生跑砂缺陷。

圖5 原有側(cè)抽密封形式

圖6 優(yōu)化后側(cè)抽密封形式

1.4 上模底板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為保證射砂位置、保護(hù)射嘴壓板，射砂板下部與上模底板接觸的一面往往裝有若干限位塊，這些限位塊經(jīng)過(guò)熱處理，強(qiáng)度硬度均高于上模底板。模具長(zhǎng)期使用后，上模底板會(huì)因限位塊的撞擊出現(xiàn)凹坑，導(dǎo)致射砂板下沉，進(jìn)而導(dǎo)致射嘴位置下降，結(jié)果砂芯表面出現(xiàn)射砂坑。需要通過(guò)焊補(bǔ)上模底板或重新調(diào)整射嘴皮套高度解決，不僅降低了生產(chǎn)效率，而且加速了模具的磨損，模具結(jié)構(gòu)如圖7所示?？梢酝ㄟ^(guò)在上?？虻装鍖?duì)應(yīng)射板限位塊位置安裝可更換鑲塊的方式來(lái)解決。鑲塊大小及熱處理方式同限位塊即可，如圖8所示。

1.5 下頂芯桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖7 原有上模框結(jié)構(gòu)

圖8 優(yōu)化后上?？蚪Y(jié)構(gòu)

下頂芯桿固定在下頂芯板上，不僅起到開(kāi)模后將砂芯從下模型腔中頂出的作用，還起到局部成型的作用。頂芯桿調(diào)整的位置一般以與模具型腔表面平齊或是高出型腔0～0.5mm為宜，以保證砂芯配合及鑄件壁厚。采用圖9所示下壓板固定式的頂芯桿，將模具起吊后方便頂芯桿的更換，但是在使用過(guò)程中容易因緊固螺釘松動(dòng)引起壓板下沉，進(jìn)一步導(dǎo)致頂桿下沉，從而使砂芯表面多肉，導(dǎo)致鑄件壁薄。如果是芯頭位置，則會(huì)影響砂芯的配合間隙，進(jìn)一步引起鑄件尺寸問(wèn)題。如果改用圖10所示的上壓板固定形式，則可以很好地避免這一問(wèn)題的發(fā)生。即使螺釘松動(dòng)，頂桿也不會(huì)因重力產(chǎn)生下沉，大大降低了生產(chǎn)過(guò)程中工人調(diào)試頂桿高度的頻率，提高了生產(chǎn)效率。采用單個(gè)式壓板進(jìn)行固定，相比整體式壓板或活動(dòng)固定式壓板，制作簡(jiǎn)單、重量輕，可以起到事半功倍的效果[1]。同時(shí)，模腔頂桿孔宜增加頂桿襯套，避免長(zhǎng)時(shí)間磨損導(dǎo)致頂桿孔變大，形成砂芯毛刺。

圖9 下壓板式頂芯桿固定模式

圖10 上壓板式頂芯桿固定模式

2 下芯夾具結(jié)構(gòu)優(yōu)化

車用發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體類復(fù)雜薄壁鑄鐵件，通常是在砂型鑄造流水線上大量生產(chǎn)，在其鑄造生產(chǎn)過(guò)程中，重要的工裝——下芯夾具起著既要保證眾多砂芯組合及下入型腔的尺寸精度還須匹配流水線的生產(chǎn)節(jié)速的作用；除此之外，下芯夾具的結(jié)構(gòu)在滿足生產(chǎn)工藝要求的情況下，應(yīng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、操作方便以及制作成本低[2]。目前很多大型現(xiàn)代化工廠都不再使用傳統(tǒng)的下芯機(jī)械手下芯，而改用工業(yè)機(jī)器人下芯。因?yàn)橄啾惹罢撸笳哽`活性提高，適用性更加廣泛。只需更換夾具和相應(yīng)程序，就可實(shí)現(xiàn)多種不同類型產(chǎn)品的下芯操作。下芯過(guò)程中的下芯精準(zhǔn)度會(huì)對(duì)鑄件尺寸產(chǎn)生重要影響，因此下芯精度的控制在鑄造生產(chǎn)過(guò)程中至關(guān)重要。傳統(tǒng)下芯機(jī)械手的下芯精度取決送芯托盤的定位以及下芯機(jī)和砂箱的銷定位配合精度。而工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行精度更加可靠，不再采用銷定位，下芯位置的準(zhǔn)確度就完全取決于下芯夾頭的定位設(shè)計(jì)。一般的缸體下芯夾具上的夾頭根據(jù)缸體的尺寸，采用頂?shù)追较蚋魅齻€(gè)的形式。三個(gè)夾頭采用形狀完全一致的“運(yùn)動(dòng)場(chǎng)”型。這種形式的夾頭長(zhǎng)度方向的兩個(gè)平面不起定位作用，主要依靠頂部的半圓弧來(lái)同時(shí)起支撐和定位作用，如圖11所示。這種夾具的問(wèn)題在于支撐和定位面采用同一平面，在砂芯被夾具夾起時(shí)，由于重力作用，夾頭首先起支撐作用，由于摩擦力的存在，弧面的導(dǎo)向作用會(huì)被大大弱化甚至完全抵消，從而導(dǎo)致砂芯在長(zhǎng)度方向無(wú)法定位。而如果采用圖12所示的下芯夾頭，定位面和支撐面不為同一平面，且定位面高度比支撐面低0.15～0.2mm。在砂芯被夾起的時(shí)候，兩端弧形定位面起定位作用，中間三角形導(dǎo)向面起導(dǎo)向作用，由于高度比支撐面略低，因此不承受砂芯重力，可以避免因摩擦力的存在使導(dǎo)向作用失效，可以較好地實(shí)現(xiàn)砂芯的定位。

圖11 原有下芯夾具

圖12 優(yōu)化后下芯夾具

3 外模結(jié)構(gòu)優(yōu)化

外模是參與造型、容納砂芯并形成鑄件外觀的一類模具。在外模的參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程中，外模與砂芯之間的間隙設(shè)計(jì)極為重要，間隙過(guò)大易導(dǎo)致跑火，造成鑄件氣孔或澆不足缺陷。間隙過(guò)小則易發(fā)生擠掉砂，造成鑄件砂眼缺陷或因下芯不到位導(dǎo)致的尺寸問(wèn)題。鑄造生產(chǎn)是一個(gè)較為復(fù)雜的過(guò)程，其中制芯過(guò)程最難控制，經(jīng)常會(huì)因?yàn)槟＞吣p或其他原因?qū)е律靶境叽绨l(fā)生變化，由于變差累計(jì)，組芯后砂芯長(zhǎng)度上尺寸的變化尤為常見(jiàn)。這種變化對(duì)外模間隙的設(shè)計(jì)提出了較高要求。

很多鑄造廠的模具后期改進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)芯頭位置包裹銅皮或鐵皮的現(xiàn)象就是由于這種變差導(dǎo)致的間隙不足。雖然這種形式的更改大部分可以滿足后期工藝需求，但一旦間隙不合適，還需拆卸后進(jìn)行二次更改，既不美觀也不便利（見(jiàn)圖13）。如果模具設(shè)計(jì)時(shí)做好預(yù)判，將易產(chǎn)生尺寸變化的芯頭位置做成分體或活塊形式，就可以較好地避免這一問(wèn)題的發(fā)生。當(dāng)間隙不足時(shí)，可以通過(guò)拆卸活塊，通過(guò)填充活塊與模具本體之間的間隙來(lái)增加間隙（見(jiàn)圖14）。

圖13 缸體外模整體結(jié)構(gòu)

圖14 缸體外模活塊結(jié)構(gòu)

4 結(jié)語(yǔ)

以上的關(guān)于冷芯盒射板、射嘴、側(cè)抽密封結(jié)構(gòu)、上模底板、下頂芯、下芯夾具以及外模的優(yōu)化結(jié)構(gòu)使用后，模具的應(yīng)用及其維護(hù)等過(guò)程更為簡(jiǎn)便，模具壽命大大提高，同時(shí)有助于保證砂芯質(zhì)量及鑄件質(zhì)量，具有一定的借鑒和推廣價(jià)值。