大缸徑柴油機機體大缸芯制芯工藝探討

伍啟華，王超，陳鵬，齊建，陳國清

濰柴動力股份有限公司 山東濰坊 261061

1 序言

隨著經(jīng)濟高速發(fā)展，大型船舶遠洋需求上升，大型發(fā)電設(shè)備需求量也越來越多，大缸徑柴油機迎來爆發(fā)式增長。特別是缸徑＞250mm的柴油機，毛坯重量超過10t，一般情況下，制約大缸徑柴油機廠生產(chǎn)發(fā)動機產(chǎn)量的瓶頸是大型毛坯生產(chǎn)，因此能夠保證機體、曲軸等大型毛坯的供應(yīng)，成為生產(chǎn)出大型發(fā)動機的保障。

我公司一款V型大缸徑柴油機，機體形成缸孔的大缸芯重量達到1.5～2t，砂芯輪廓尺寸達到2m×2m×0.5m。隨著工業(yè)技術(shù)的進步，機體大缸芯制作經(jīng)過了幾種生產(chǎn)工藝的演變，在2000年前后，多采用缸筒和軸承擋部分分段式手工制芯工藝，然后再組芯生產(chǎn)；在2010年左右，隨著模具設(shè)計、制作技術(shù)的飛速發(fā)展，一般采用自硬砂整體式手工制芯工藝，模具分上下兩層或三層制作，方便填砂；2020年之后，工藝設(shè)備已經(jīng)可以滿足大型砂芯制芯要求，一些大型企業(yè)開始采用三乙胺冷芯工藝、大型制芯機制作柴油機機體大缸芯，大幅提高了效率，降低了勞動強度[1]。

2 分段式手工制芯工藝

2000年之前，柴油機對機體毛坯的尺寸精度要求不高，機體結(jié)構(gòu)相對簡單，清理空間相對較大，在制芯裝備相對落后的情況下，工藝人員將柴油機機體每缸的大缸芯分成軸承擋芯、缸筒芯、凸輪軸芯及側(cè)邊芯等幾部分分別制芯，采用手工自硬砂工藝，一般情況下芯盒采用木模的居多，個別效益較好的企業(yè)采用鋁制芯盒。圖1所示分別為軸承擋芯、缸筒芯、凸輪軸芯分體式手工制芯工藝。

圖1 分體式手工制芯工藝

大缸芯分成多顆后，重量、體積相對變小，便于翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)運、上涂料。制芯時方便布置冷鐵、放置排氣繩[2，3]。

制芯后單個芯手工刷醇基涂料，然后點燃表面烘干，再轉(zhuǎn)運至研箱區(qū)域，將缸筒芯和軸承擋芯組裝在一起，如圖2所示。

圖2 組芯示意

3 整體式手工制芯工藝

隨著產(chǎn)品要求的提高，對鑄件尺寸精度和內(nèi)腔清潔度的要求也在不斷提高，催生了模具制作技術(shù)不斷發(fā)展。一是鋁制模具代替木制模具，鋁制模具具有木制模具重量輕的特點，同時兼顧強度要求，模具長期放置不變形，不受環(huán)境溫度、濕度的影響；二是模具加工技術(shù)的不斷提升，減少了人工打磨模具的工序，一方面大多數(shù)的模具邊角可通過加工中心實現(xiàn)，另一方面高速銑床的出現(xiàn)減少了模具表面拋光工序[4]。隨著鋁制模具在大缸徑機體鑄件生產(chǎn)中的應(yīng)用，開發(fā)出整體制芯工藝，即大缸芯的缸筒和軸承擋不再分開制芯，但仍然采用手工自硬砂工藝。

大缸芯整體制芯模具一般分成兩層開合模，方便填砂，制芯時先將模具下半部分緊固，充填緊實后再將模具上半部分緊固，人工填砂。圖3所示為整體式手工制芯工藝流程。

圖3 整體式手工制芯工藝流程

整體式手工制芯工藝保留了自硬砂工藝的優(yōu)點，兼顧了砂芯尺寸精度。

整體式手工制芯后，砂芯轉(zhuǎn)運至合箱區(qū)域，人工刷醇基涂料（見圖4），然后點燃表面烘干，砂芯直接用于下芯組芯，可減小缸筒、軸承擋多次組裝造成的尺寸累積偏差。

圖4 砂芯刷涂料

4 機器制芯工藝

自硬砂制芯工藝有其優(yōu)點，制芯非常靈活，但其缺點同樣明顯，制芯時間一般在4～6h，制芯周期長，人工填砂，操作者勞動強度大。隨著社會發(fā)展，以人為本的理念貫穿到工廠設(shè)計當中，為了滿足降低勞動強度、改善工作環(huán)境、提升生產(chǎn)效率的需求，隨之出現(xiàn)了大型制芯機生產(chǎn)大缸徑柴油發(fā)動機機體砂芯的工藝。

機器制芯工藝：采用三乙胺冷芯工藝代替自硬砂工藝，實現(xiàn)大型機器制芯；采用大型桁架機械手自動浸涂砂芯工藝代替手工刷涂工藝。

為滿足生產(chǎn)需求，我公司新增1臺射砂量2500L的冷芯制芯機，射砂面積2500mm×2500mm，用于制作大型機體大缸芯，實現(xiàn)了整體制芯；制芯后采用3.5t大型桁架機械手自動取芯，進入修芯、組芯平臺，需要人工修芯，人工組裝冷鐵芯以及無法開模的小砂芯；使用桁架機械手浸涂水基涂料，然后進窯烘干。

機器制芯工藝流程如圖5所示。

圖5 機器制芯工藝流程

砂芯烘干后直接用于下芯組芯，制芯浸涂料工序生產(chǎn)效率大幅提升，砂芯尺寸精度提升一個等級，鑄件內(nèi)腔清潔度得到保障。

5 制芯工藝綜合對比

分段式手工制芯工藝、整體式手工制芯工藝和機器制芯工藝各具優(yōu)缺點，是不同時代的鑄件生產(chǎn)方式，有不同的應(yīng)用場景，其工藝特點、綜合應(yīng)用效果對比情況分別見表1、表2。

表1 3種工藝特點對比

表2 3種工藝綜合效果對比

從3種工藝對比看出，其適宜的應(yīng)用產(chǎn)品如下。

1）分段式手工制芯工藝應(yīng)用于量小、尺寸要求不高、結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜的鑄件產(chǎn)品。

2）整體式手工制芯工藝適用于投資小、有一定產(chǎn)量的鑄件產(chǎn)品。

3）機器制芯工藝適用于投資大、產(chǎn)量大、結(jié)構(gòu)相對簡單的鑄件產(chǎn)品。

6 結(jié)束語

綜上所述，3種制芯工藝各具優(yōu)缺點，工藝設(shè)計時應(yīng)針對不同鑄件結(jié)構(gòu)和質(zhì)量要求，結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)條件和制造成本，選擇最優(yōu)工藝。