干式缸套機(jī)體水腔芯整體制芯工藝研究

王成宗，陳國清，王 超，王新慧

（濰柴動力股份有限公司，山東濰坊 261061）

0 引言

發(fā)動機(jī)在運轉(zhuǎn)過程中，形成燃燒室的機(jī)體缸套、缸蓋、活塞在周期性高溫環(huán)境下，材料強(qiáng)度和硬度下降，需要通過循環(huán)冷卻水帶著部分熱量，使其穩(wěn)定在合理的工作溫度[1]。但冷卻水分布不均，可能導(dǎo)致各缸冷卻不均勻，各缸工作狀態(tài)不一致。尤其是薄壁缸套，冷卻不均可能引起不規(guī)則形變，進(jìn)而造成漏氣、油耗高等性能損失[2]。本文以多缸柴油機(jī)的冷卻水腔為研究對象，介紹了兩種冷卻水腔鑄造成型工藝以及優(yōu)缺點對比，整體成型的水腔能更好地分配冷卻液流量和流速，利于發(fā)動機(jī)機(jī)體缸套均勻冷卻。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡介

該型號柴油機(jī)機(jī)體為干式缸套，長×寬×高尺寸為770 mm×500 mm×400 mm，鑄件基本壁厚5 mm，材料要求本體（瓦口處）抗拉強(qiáng)度不小于250 MPa。整機(jī)冷卻水經(jīng)水泵→機(jī)油冷卻器腔→布水腔→機(jī)體水套腔→氣缸蓋水腔→回水腔→水泵的循環(huán)。

機(jī)體中的冷卻水由機(jī)冷腔進(jìn)水口進(jìn)入布水腔，通過對布水道與水套腔之間串水孔的形狀和面積控制進(jìn)入水套的冷卻水的流量和流速，完成對機(jī)體缸套的均勻冷卻，如圖1 所示。

圖1 機(jī)體中冷卻水分布示意圖

完成水腔結(jié)構(gòu)設(shè)計后，進(jìn)行冷卻水流模擬，確認(rèn)機(jī)體水套中冷卻水的流速、流量和熱交換效果，如圖2 所示。

圖2 機(jī)體水套流速流線圖

圖3 布水腔芯

圖4 水套芯

從模擬結(jié)果來看缸套的冷卻效果與流經(jīng)缸孔四周冷卻水的流速和流量有直接關(guān)系[3]。整個水腔的形狀和尺寸都會影響到水套內(nèi)冷卻水的流量和流向，其中作為冷卻水分流和導(dǎo)向閥門的串水孔尤其重要，通過合理設(shè)計串水孔的面積和形狀就可以合理分配各缸冷卻水量，實現(xiàn)多缸發(fā)動機(jī)燃燒室均衡冷卻。同時串水孔的面積和形狀也影響到鑄件成型工藝，成為產(chǎn)品設(shè)計和工藝開發(fā)討論的焦點。

2 工藝設(shè)計

該機(jī)體共有包括大缸芯、前后端芯、水套芯、水道芯、進(jìn)水腔芯、桁架芯、油道芯、上蓋芯等共15 種17 顆砂芯。為實現(xiàn)產(chǎn)品輕量化，砂芯結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜且薄弱，制芯組芯難度大，砂芯變形或定位偏差都會造成產(chǎn)品壁厚尺寸超差。

根據(jù)生產(chǎn)線布置采用立組平澆工藝、潮模砂造型、水套芯熱芯盒制芯、其余砂芯采用冷芯盒制芯，單獨浸涂整體組芯。

其中水腔芯（水套芯+布水道芯）制芯組芯工藝是工藝焦點，綜合產(chǎn)品的功能性和鑄造工藝性，此次工藝開發(fā)針對水腔成型方式，制定了兩種工藝方案：分體制芯工藝和整體制芯工藝。

2.1 分體制芯工藝

沿用以往類似產(chǎn)品的工藝設(shè)計，采用分體制芯，即將水腔分為布水腔和水套腔兩部分，分別進(jìn)行制芯、浸涂、組芯等生產(chǎn)工序。

布水道芯采用冷芯制芯工藝（陶瓷砂+再生砂），上下兩開模，一模四顆，單個砂芯重量2.9 kg。

水套芯采用熱芯制芯工藝（熟料砂+鉻鐵礦砂），上下左右四開模，一模一顆，單個砂芯重量4.0 kg。

組芯過程：水套芯由人工預(yù)組在大缸芯組上形成主體芯組，整體浸涂、烘干。布水道芯由人工浸涂、單獨烘干，人工提前下入下砂型中；主體芯組由下芯機(jī)將整體下入下砂型中，實現(xiàn)布水道芯和水套芯芯頭之間的配合。通常會出現(xiàn)以下兩種情況：

（1）芯頭配合間隙過小將有擠砂或斷芯風(fēng)險，導(dǎo)致鑄件報廢。

（2）芯頭配合間隙過大將增大壁厚產(chǎn)生批縫，批縫清理難度大，產(chǎn)品質(zhì)量難以保證。

為避免芯頭配合間隙偏差出現(xiàn)上述兩種情況，在串水孔兩種砂芯間設(shè)計制作隨形石棉墊，由人工粘放在布水腔芯對應(yīng)位置，如圖5 所示。再由人工將帶有石棉墊的水道芯放入下砂型中，如圖6 所示。當(dāng)主體芯組下入砂型時，水道芯與布水道芯配合芯頭會壓縮石棉墊抵消間隙，石棉墊厚度4 mm，壓縮比60%，因石棉為耐高溫材料，可有效阻擋鐵水浸入間隙形成批縫。

圖5 石棉墊粘放圖

圖6 水道芯下芯過程

石棉墊可以很好地解決芯頭間隙偏差問題，同時也存在以下隱患。

（1）因石棉墊為柔性材質(zhì)，粘放和下芯的過程中很容易出現(xiàn)偏移，一旦產(chǎn)生偏移，將在鑄件上出現(xiàn)一邊批縫一邊凹槽的情況，嚴(yán)重影響到串水孔形狀，如圖7、8 所示。

圖7 鑄件水腔橫截面

圖8 鑄件串水孔橫截面

圖9 水腔整體芯

鑄件清理時沒有足夠的清理空間，串水孔批縫殘留無法徹底清除。

（2）為簡化生產(chǎn)工序，避免石棉墊錯放，石棉墊的形狀和面積要盡可能統(tǒng)一，這就要求串水孔形狀一致。但無法實現(xiàn)以串水孔面積控制的冷卻水流分布的設(shè)計目標(biāo)。

2.2 整體制芯工藝

整體制芯工藝是將布水腔芯和水套芯兩種砂芯合二為一，保留設(shè)計仿真最佳的串水孔結(jié)構(gòu)。工藝過程以水腔整體芯參與制芯、組芯、浸涂、烘干、轉(zhuǎn)運、下芯等所有生產(chǎn)工序，取消了原布水腔芯制芯、浸涂、轉(zhuǎn)運、下芯和粘放石棉墊等工序。

該方案執(zhí)行關(guān)鍵在于整體水腔芯制芯，為保證水套內(nèi)腔質(zhì)量，整體芯采用高強(qiáng)度覆膜砂熱芯盒制芯工藝，上下左右四開模，一模一顆砂芯。布水腔芯和水套芯之間的狹小結(jié)構(gòu)只能上下開模成型，水套芯最小厚度5 mm，增加開模斜度后最小厚度減小至4.8 mm，在芯盒內(nèi)部形成的狹小、大包絡(luò)的結(jié)構(gòu)，很容易出現(xiàn)砂芯斷裂，卡在狹縫中難以清除。

針對脫模困難問題，對芯盒結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行3種分型結(jié)構(gòu)受力分析。

結(jié)構(gòu)1“上下均分”：即上下芯盒相同包絡(luò)，理論脫模力相同，砂芯隨機(jī)留在上芯盒或者下芯盒，無法實現(xiàn)設(shè)備預(yù)定取芯功能。

結(jié)構(gòu)2“上大下小”：即上芯盒包絡(luò)大、下芯盒包絡(luò)小，可以實現(xiàn)砂芯保留在上芯盒，但增加了上頂芯難度。

結(jié)構(gòu)3“上小下大”：即上芯盒包絡(luò)小、下芯盒包絡(luò)大，為實現(xiàn)砂芯保留在上芯盒，在下芯盒設(shè)計下頂芯機(jī)構(gòu)，在上下芯盒開模時，同步向上施加推力，使砂芯均勻受力，順利從下芯盒脫模；因上芯盒包絡(luò)變小，上頂芯難度相應(yīng)減小[4]。

采用整體制芯工藝生產(chǎn)的機(jī)體鑄件，串水孔結(jié)構(gòu)完整、形狀圓滑，無需清理，可減輕勞動強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，更重要是差異式串水孔實現(xiàn)了產(chǎn)品按需分配冷卻水的功能需求。

對比兩種制芯工藝的生產(chǎn)過程和鑄件質(zhì)量，整體制芯工藝在生產(chǎn)過程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面都明顯優(yōu)于分體制芯工藝，如圖10 所示。

圖10 兩種制芯工藝鑄件串水孔對比圖

3 結(jié)論

整體制芯工藝相對于分體制芯工藝具有以下優(yōu)勢：

（1）簡化鑄造工藝流程：取消布水腔芯芯盒設(shè)計制作，取消單獨制芯、浸涂、烘干、存放、粘石棉墊、下芯等工序，取消串水孔批縫清理工序。

（2）提高產(chǎn)品質(zhì)量，保證產(chǎn)品性能：串水孔由完整砂芯成型可保證形狀和面積完全符合設(shè)計結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)發(fā)動機(jī)機(jī)體各燃燒室均衡冷卻。