氣缸體水套熱芯盒制芯缺陷分析及防止

黃樺，陳之偉，榮玉良，趙群憲，劉彬，蔡一法，李景鋒，秦海波

1.概述

汽車發動機缸體水套砂芯結構復雜，尺寸精度高，壁厚薄，清理困難。根據其特點，國內大部分生產廠家目前均采用熱芯盒覆膜砂制芯工藝，與冷芯盒制芯相比其具有以下特點：

（1）強度高 覆膜砂固化后強度很高，常溫抗拉強度＞2.8MPa，比油砂高2～3倍。用該法造出的薄壁水腔芯，除具有足夠的強度外，還具有良好的透氣性和出砂性。

（2）流動性好 覆膜砂在固化前是干態的松散砂，流動性好，有利于射制形狀復雜的砂芯。

（3）吸濕性小 覆膜砂在室溫下能保存幾個月，固化后砂芯吸濕性很小，可長期存放。

（4）潰散性好 在高溫鐵液作用下，樹脂燒損，砂芯潰散性特別好，便于清理。

如圖1所示，我公司的某汽車發動機缸體相比其他缸體而言具有水套砂芯高度高（高度為121.5mm），水套壁?。ㄗ畋∥恢脼?mm左右），起模斜度?。ù蟛糠炙變缺谄鹉Ｐ倍葹?.5°，外壁起模斜度為1°），與圓棒芯裝配時的水套爪較多且壁?。ê穸燃s為4mm）。芯盒在設計和制作過程中，為防止氣孔缺陷在水套爪部設置了很多頂桿和通氣針結構。由于產品結構和芯盒設計的原因，該氣缸體水套芯從產品投入生產開始，廢品就居高不下，有時單班次廢品率高達20%以上，周平均廢芯率高達11.97%，嚴重影響了制芯線的開動率，成為制芯工段的瓶頸工位，影響了整個車間缸體生產的產能。目前某復雜水套砂芯采用老模和備模同時在線生產，出現的廢品主要分為以下6種情況。

一是水套爪部疏松和斷爪缺陷（疏松位置不固定且老模比備模更嚴重）。

二是水泵口位置疏松（備模比較嚴重）。

圖1 某復雜水套砂芯三維數模及實物

三是射砂棒不脫模（備模比較嚴重）。

四是水套拉模劃痕（現場觀察備模有，中班值班記錄上老模也有）。

五是水套砂芯F20面缺肉（備模比較嚴重）。

六是水套芯F40面澆注后裂紋使水套孔堵塞。

上述6個問題成因復雜，嚴重影響了現場生產質量。

2.覆膜砂制芯工藝及流程

我公司水套制芯機采用的是兩臺韓國SH—159A型熱芯盒水平分型制芯機（見圖2），一模六腔（見圖3、圖4），采用加熱管電加熱的方式進行加熱，覆膜砂采用萊州天鼎舟的普通覆膜砂，配比覆膜砂時酚醛樹脂占1.0%～3.0%，烏洛托品(水溶液l∶1)占10%～15%，硬脂酸鈣占5%～7%，添加劑占0.1%～0.5%。其制芯順序為：開?！鷫嚎s空氣吹掃→噴脫模劑→合?！颇！！渖啊艢狻的！颇！袒_模和移上頂出板→移動卸芯機→移動下頂出板→退回卸芯機→取芯→去毛刺→砂芯質量檢查。制芯關鍵參數見表1，下芯盒芯腳位置頂桿和通氣針布置情況如圖5所示。

從圖3～圖5可以看出，在起模斜度下，砂芯高度高，芯腳位置狹窄，工藝還布置如此眾多的頂桿和通氣針，現有產品和芯盒結構難以改變的情況下，該水套芯盒采用一模六腔的結構，制芯存在很多的問題，且目前該芯盒采用的是很濃稠的油基脫模劑進行脫模，芯盒芯腳位置很容易粘上臟物，之前芯腳位置通氣針尺寸為φ3mm×65mm，且采用了T10的熱硬性很差的材質，極易斷裂，水泵孔厚大，且周圍位置無射嘴和排氣，芯腳底部也未設置排氣，以上產品和芯盒結構特點造成此芯盒從投產之初到現在廢品率一直居高不下，該水套砂芯剛投產之初廢芯率即高達50%，直到2014年初經過多次改進后廢芯率仍舊在10%～20%波動，制芯廢品問題亟待解決。

3.生產中主要質量問題及對策

（1）水套爪部疏松和斷爪缺陷 經過長期的生產觀察發現，水套爪部疏松和斷裂主要有以下幾點原因：通氣針材質過軟、通氣針過長、通氣針反復矯正等原因使其彎曲、制芯起模時折斷芯腳；模腔爪部不清潔，有異物；爪部憋氣，排氣不暢，射砂不緊實形成疏松；上部刮砂板帶砂到模腔內或吹砂時不小心散砂落入到型腔中；脫模劑噴槍堵塞，脫模不暢爪部異物過多，造成下一型充型不實；射砂嘴堵塞，或密封圈破損而漏氣，使射砂壓力相對不足，射砂嘴損壞等原因。

圖2 韓國SH—159A型熱芯盒水平分型制芯機

圖3 一模六腔的水套芯盒結構

圖4 單個下模塊結構

圖5 下芯盒芯腳位置頂桿和通氣針布置情況

表1 某復雜水套芯熱芯盒制芯關鍵工藝參數

水套爪部疏松廢品如不及時挑揀出報廢，澆注后會使對應的缸體水道形成堵塞缺陷（見圖6），后果嚴重。

防止方法：更換底部通氣針材質T10為SKD11，通氣針的規格更改為φ2.5mm×60mm和φ2mm×30mm，點檢規定禁止重復使用彎曲后反復矯正的通氣針；芯盒每周徹底清理一次；芯盒底部加熱板上增加排氣道進行排氣(見圖7)；注意點檢和更換設備上刮砂板，減少吹散砂頻次；定期點檢脫模劑噴槍情況，定期點檢射砂嘴和密封圈。

關于易在芯腳位置積聚惡化疏松和斷爪問題的油基脫模劑，試過多家供應商的水基脫模劑，均因試驗失敗而終止；對于芯腳底部雜物難清理問題，試驗采用干冰在線清理，效果良好。

（2）水泵口位置疏松 斷爪問題解決后，水泵口疏松問題一度升為水套芯TOP1質量問題（見圖8），剖開砂芯可見此處呈酥松不固化狀態，開始一直認為是固化溫度不足引起，后續分析后發現水泵口疏松產生的最主要原因是此處憋氣。

解決水泵口疏松問題共采用了以下4種方案。

方案1：下模水泵口底部增加一個φ8mm排氣塞，如圖9所示。

方案2：水泵口芯頭延長并增加輔助射嘴，如圖10所示。

方案3：水泵口側邊增加一個輔助射嘴，如圖11所示。

方案4：在水泵口配合面上增開兩個排氣槽，如圖12所示。

以上4個方案是按照時間順序開展的，不斷改進，該問題出現之初，即在上芯盒水泵口芯盒底部增加了一個φ8mm的排氣塞，該方案在起初效果很好，水泵口疏松基本解決，但由于該制芯機上芯盒刮砂板經常磨損，造成上芯盒刮砂不干凈，排氣塞底部的排氣道經常被散砂堵塞，需要經常清理頂部排氣道，從而影響生產節拍；后續想采用方案2和方案3增加輔助射嘴的方式增加此處砂充型能力，但方案2的缺點是需要改動邊芯等，改動量很大，目前昆山豐田的芯盒采用此種方法解決水泵口疏松問題；方案3目前在制作另外的一套備模時已經采用，解決疏松效果良好，但是需要清理射嘴殘余。因為增加輔助射嘴需要移動加熱管孔位置，現有的兩套芯盒已經無布置輔助射嘴的空間，故經過試驗后，選擇在現有兩套芯盒上增開兩個排氣槽的方式，通過改進后，目前水泵口疏松問題已經徹底得到解決。

圖6 水套爪部疏松廢品及其對應的缸體水道堵塞缺陷

圖7 底部排氣道

圖8

圖9

（3）射砂棒不脫模 射砂棒是指芯盒射砂后，從射砂口至砂芯的射砂通道內的覆膜砂經固化后殘留在型芯上的砂柱。射砂棒在生產中毫無用處，修芯時必須將其清除，而且射砂棒在制芯過程中還會帶來諸多不利因素，但它是射制砂芯時難以避免的產物，上一盒射砂棒未脫落會直接影響到下一盒制芯，造成制芯廢品，此廢品一度成為水套制芯廢品的TOP3廢品問題，因此在芯盒的設計和制造時應予以重視。

我廠出現射砂棒不脫模的原因：射嘴襯套內壁未拋光較粗糙；射嘴襯套長久使用磨損有倒錐；上頂桿松動、彎曲或磨損，高度不一致，彎曲容易使襯套內壁劃傷，導致表面粗糙度值高。

其防止方法：主要為上頂桿材質采用H13鋼，整體熱處理硬度49～51HRC；上頂桿布置按照目前C14水套A模的階梯形尺寸制作，高度落差改為3mm，φ5mm×62mm（20根）、φ6mm×63mm（20根）、￠φ7mm×68mm（20根）。備件入庫前嚴格保證襯套表面粗糙度，襯套備件內外壁加工采用磨削方式，對不滿足表面粗糙度要求的進行拋光處理后再更換；對現場出現不脫模的射嘴襯套做好標記，在生產間隙進行更換；對磨損和彎曲的上頂桿及時進行檢查和更換。

（4）水套拉模劃痕 由于該水套高度很高，起模斜度小，加上是一模六腔結構，整體脫模，所以對型腔的表面粗糙度等要求極高，水套拉模劃痕類似于砂芯脈紋，會造成缸體水道壁多肉粗糙（見圖13），水套上出現劃痕也會影響砂芯強度，造成澆注后產生砂芯裂紋。其產生的主要原因為：模具內壁表面粗糙度值高；模具表面有雜物未及時清理干凈；上模模溫太高導致覆膜砂內樹脂被烤出流掛到側壁形成長條狀突出物；射砂壓力過大導致覆膜砂內樹脂與砂分離積聚在側壁形成長條狀突出物；脫模劑與砂混合的黏附物等。

其改進方法：模具保養時重點檢查側壁，對不光滑和表面粗糙度值高的位置及時清理和拋光，控制模溫和射砂壓力不要太高，更換高性能噴槍，改進脫模劑等。

圖10

圖11

圖12

圖13 缸體水套內壁多肉粗糙

（5）水套砂芯F20面缺肉 如圖14所示，該問題出現的主要有以下幾點原因：射砂棒過粗去除時帶肉；此處模溫不足造成固化不良缺肉；缸杯和底座配合不良形成倒錐，脫模后缺肉。

其防止方法：射嘴襯套磨損后及時更換；定期檢查加熱管冷態阻值，損壞的加熱管及時更換；每次芯盒維護保養時重點檢查缸杯和底座配合情況，與缸杯配合的底座無損壞，安裝緊固完畢后缸杯四周比底座略小，安裝配合后底座可見寬度0～0.15mm間隙，過寬容易形成飛翅。

（6）水套芯F40面澆注后裂紋使水套孔堵塞 如圖15所示，缸體水套F40裂紋問題一直存在，該水套F40面是該水套砂芯最薄的位置（最薄為3mm左右），分析形成裂紋的主要原因有以下幾點：模具起模不良，頂出芯時頂裂砂芯；砂芯頂出或者清理過程中斷裂，運輸過程中撞裂；此處下芯撐位置狹窄，下芯撐后澆注過程由于收縮等原因撐裂；上模模溫太高導致覆膜砂內樹脂被烘烤流出或射砂壓力過大，導致覆膜砂內樹脂與砂分離，使砂芯強度降低，此處位置壁最薄，砂芯強度不夠；芯盒固化溫度過高，砂芯過燒，強度降低，澆注時易斷裂；芯砂熱抗拉強度不足；芯撐尺寸不符合要求，過大或者過小。

其防止方法：砂芯清理和運輸時注意輕拿輕放，有裂紋的砂芯做報廢處理，避免溢出工位；控制模具加熱溫度和射砂壓力；模具實際加熱溫度（測溫槍測量缸杯側壁）控制在215～260℃；模具維護保養時和生產前重點檢查加熱管、傳感器、熱電偶和插座接線等，應完好無破損，接線盒內部無積砂和雜物、保證熱電偶插入深度到孔底位置；加熱管冷態阻值范圍16～23Ω；控制芯撐來料質量和尺寸；加強芯砂抗拉強度檢測與控制；增大芯盒下芯撐位置尺寸，單邊增大0.225mm。

4.改進后效果跟蹤

通過上述6個水套砂芯TOP缺陷問題的解決，水套砂芯質量得到了很好的控制，廢品率從單班次20%以上降低至4%以下，并得到了穩定，目前水套裂紋、水泵口疏松、水套拉模等問題已經徹底解決，如圖16所示。

5.結語

本文通過對水套熱芯的缺陷原因進行分析，在產品結構和芯盒結構已固定無法進行大的更改的情況下，并通過各方面改進制定了防止措施，取得了很好效果，降低了廢品率，提高了生產開動率，降低了生產成本。

圖14 水套F20面缺肉及對應的缸體F20面位置多肉

圖15

圖16 我公司2013年某水套實際制芯廢芯率情況

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