WP7 柴油機整體式氣缸蓋立澆鑄造工藝設計

陳玉英，梁 泉，明金元，齊亞平

（濰柴動力（濰坊）鑄鍛有限公司，山東濰坊 261001）

WP7 柴油機是濰柴獨立開發的一款新型柴油機，主要配套城市客車和中重型卡車，是濰柴未來幾年的戰略產品。WP7 柴油機采用整體式氣缸蓋，每缸四氣門，噴油器中間垂直布置，與分體式缸蓋相比主要有以下優點：六缸一蓋，強度更高；缸心距變小，大大縮短發動機長度；進排氣同側，結構更緊湊。但整體式的氣缸蓋結構復雜、技術要求高、鑄造工藝性能相對較差，同時對鑄件尺寸、內在組織致密性、內腔清潔度要求很高。另外，整體式氣缸蓋在濰柴首次應用，鑄件工藝設計無任何借鑒經驗，這些均給鑄造工藝設計帶來了很大的難度。

1 氣缸蓋傳統平澆鑄造工藝與立澆鑄造工藝對比

1.1 平澆鑄造工藝的優點

（1）內澆道位于鑄件底部，金屬液進入型腔平穩，對型、芯沖擊力小，金屬氧化性小，有利于型腔內氣體排出，可以避免因沖擊、飛濺和氧化而導致的鑄件缺陷。

（2）平澆工藝可以把缸蓋上平面的形狀在上模形成，不用單獨制作砂芯，減少了砂芯的數量，簡化了組芯工藝。

1.2 平澆鑄造工藝的缺點

（1）型腔頂面較寬，液態金屬在充填鑄型和凝固過程中，與鑄型（芯）發生熱作用，頂面受鐵液烘烤的時間越長，鑄型（芯）產生膨脹和應力變形越大。澆注過程中產生的機械作用，使型砂（芯）表面砂粒或涂料層在與流動的液態金屬摩擦或動壓力作用下脫落，形成砂眼和起皮夾砂等鑄造缺陷。

（2）在高溫鐵液浮力作用下，砂芯受力形成“懸臂效應”。鑄件內腔的水套芯受鐵液浮力作用大，砂芯易產生變形甚至斷裂，形成偏芯、夾砂等缺陷。

（3）平澆工藝多采用底注方式澆注，缸蓋上下平面溫度場差別較大，而缸蓋的寬度尺寸一般都是高度尺寸的1.5 倍左右，導致高度方向的剛性較差，鑄件容易彎曲變形。

（4）不便于設置補縮冒口。

（5）受砂箱內壁長度和寬度尺寸的限制，平澆方式在砂箱內布置的數量較少，原材料消耗大，不利于合理安排生產和降低成本。砂箱高度方向不能充分利用，生產效率也不高。

1.3 立澆鑄造工藝的優點

氣缸蓋立澆工藝是鑄件立式面對面布置，兩組砂芯在組芯、浸涂、烘干后用螺栓把緊鎖芯，然后將整體芯組下到砂型中。立澆工藝相對于傳統的平澆工藝來說，有以下優點：

（1）立澆工藝的澆注液面一般是從下往上升，有利于芯腔內的渣和氣體排出，方便設置補縮冒口，便于鑄件補縮。

（2）在高溫鐵液浮力作用下，鑄件內腔的水套芯不易發生變形、斷裂等現象。

（3）鑄件尺寸全部由砂芯形成，尺寸精度高，鑄件表面質量好，粗糙度低。

（4）能夠充分利用砂箱的空間，鑄件布置緊湊，生產效率高。

2 WP7 氣缸蓋立澆工藝的設計

2.1 砂芯工藝設計

WP7 氣缸蓋采用的是四氣門六缸連體式的結構(見圖1)，鑄件外輪廓尺寸為861×269×120（mm），毛坯質量約87 kg/件，其內腔結構緊湊、復雜，同時也是高強度、薄壁灰鑄鐵件，材質為HT280，最小壁厚≥3 mm。

圖1 WP7 氣缸蓋毛坯

根據產品結構設計砂芯，WP7 氣缸蓋所需砂芯分別為底盤芯、上蓋芯、上水套芯、下水套芯、進氣道芯、排氣道芯、串水孔芯、長條短邊芯等。氣缸蓋的上、下水套芯是形成水流空腔的位置，其結構復雜，砂芯薄壁位置多，在射芯過程中很容易不飽滿。同時，上水套為整體式，長度方向尺寸較大，在起模或搬運過程中易斷裂、變形。根據多年經驗設計砂芯芯頭結構和定位方式，上水套芯結構詳見圖2，該結構使砂芯定位更準確，且為了利于內腔氣體的排出，在幾處主要排氣的位置設計成如圖3 結構。由于水套結構復雜壁厚較薄，必須有足夠的強度，所以水套芯用高強度覆膜砂熱芯工藝，其余砂芯用冷芯工藝。

2.2 組芯流程設計

圖2 整體式的上水套芯

圖3 砂芯排氣結構

生產一個WP7 氣缸蓋毛坯共需11 種砂芯，首先水平組單個芯組，然后將兩個芯組合為一個整體的芯組，最后將整體芯組放入砂型中。水平組芯即人工在組芯線上的底盤芯內依次放置串水孔芯、下套芯、進排氣道芯、上套芯、長條短邊芯組，然后用浸涂機器人對組好的芯組和上蓋芯進行整體浸涂，之后在表干爐中烘干，組好的單個芯組詳見圖4 和圖5。砂芯出爐后，利用砂芯轉運機械手將上蓋芯扣在底盤芯組上，再由另一機械手分別將2 個芯組放入組芯胎具中進行二次組芯，用螺栓把緊，完成組芯后的整體芯組詳見圖6。

圖4 底盤芯組

圖5 扣上上蓋芯后的單個芯組

圖6 用螺栓把緊后的整體芯組

2.3 澆注系統設計

砂箱長寬高為1 200×1 000×320（mm），一個型腔兩件鑄件（如圖7 所示）。澆注系統按照內澆道在鑄件上開設位置不同分類，有頂注式、底注式、中間注入式、階梯式、垂直縫隙式、復合式澆注系統。

圖7 砂箱型腔的布置

頂注式澆注系統優點是澆注系統結構簡單、緊湊，便于造型且節約金屬。金屬液容易充滿型腔，金屬液溫度上高下低，凝固順序自下而上，有利于發揮冒口的作用進行鑄件補縮。缺點是對鑄型底部沖擊大，容易造成沖砂；金屬液易產生飛濺，澆注時液流落下造成金屬液翻騰，不利于浮渣排氣。對于立澆工藝，頂注式澆注系統還存在以下缺陷：兩組的砂芯之間不可避免的存在間隙，而且整個澆注系統很難被壓砂環封閉，這樣會造成鐵液外溢，披縫鐵包圍整個芯組，影響砂芯的排氣效果，同時也浪費鐵液，為以后的清理工作帶來困難。立澆工藝本身使得缸蓋向外型的排氣槽可開位置就比較少，頂面進水的澆注系統會占用部分砂芯排氣口的位置，造成砂芯排氣不暢，容易產生氣孔等缺陷。

底注式澆注系統充型平穩，對型、芯沖擊力小，不會產生沖砂、飛濺及鐵豆，氧化傾向小，有利于金屬液中的渣、氣及型腔內氣體排出。但鑄件的溫度分布不利于自下而上的定向凝固及冒口補縮。

階梯式澆注系統金屬液對鑄型的沖擊力小，液面上升平穩，并且鑄型上部的溫度較高，有利于補縮，渣、氣易上浮且排入冒口中，同時改善了補縮條件。

通過分析研究，一致認為采用“底注+中注”式的階梯式澆注系統方案。底面進水的分橫澆道布置在下外型，鐵液由外型上的分橫澆道再上升至砂芯的內澆道。為了使鐵液在澆注過程中更加平穩，將過濾網布置在下型分橫澆道上。

2.4 加工余量和砂芯配合間隙的設計

WP7 氣缸蓋立澆鑄造工藝中，其所有鑄件面均由砂芯形成，鑄件尺寸精度相對較高，加工余量可設計為3～5 mm，如果過程和設備控制的水平較高，甚至可設計為2～4 mm。

砂芯的配合間隙要根據配合位置的重要程度來確定，如要求配合準確，對相關尺寸影響較大。如氣道的芯頭配合，其砂芯配合間隙設計為0.1～0.15 mm，其他砂芯配合間隙可以放置在0.2～0.5 mm，部分配合間隙可以放到0.6～1.2 mm，具體的間隙選擇是根據砂芯配合精度要求來決定的。配合間隙設計時已考慮涂料層厚度，因此芯頭部位不需再考慮涂料層。

2.5 立澆鑄造工藝技術難點

保證內澆道逐層按順序注入鐵液，即鐵液先進入下層內澆道，型腔液面逐漸上升接近上層內澆道時，才由上層內澆道注入鐵液。若兩層內澆道同時注入鐵液產生“亂澆”，易造成飛濺、漩渦、夾氣和夾渣現象，容易產生砂眼、氣孔等缺陷。

3 結語

WP7 氣缸蓋鑄造工藝的設計，通過采用新型的立澆鑄造工藝，充分利用砂箱的空間，生產效率較高，生產率提高50%；提高了砂芯組裝生產率，工藝出品率也隨之提高，一定程度降低了生產成本。整個鑄件由砂芯形成，砂芯定位準確，鑄件尺寸精度高，減少了下芯造成的尺寸偏差。WP7 氣缸蓋立澆鑄造工藝的成功應用，填補了濰柴鑄鍛公司整體式缸蓋立澆工藝的空白，為濰柴鑄鍛公司大批量生產整體式缸蓋積累了經驗，豐富了缸蓋鑄造生產工藝，提高了企業的競爭力。

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