聯體氣缸蓋鑄造工藝設計探討

孫曉敏,臧加倫,王 勇

（濰柴動力股份有限公司，山東濰坊 261061）

聯體氣缸蓋鑄造工藝設計探討

孫曉敏,臧加倫,王 勇

（濰柴動力股份有限公司，山東濰坊 261061）

闡述了聯體氣缸蓋鑄造工藝開發過程中的要點，包括鑄造工藝設計和工藝流程設計兩方面；對鑄造收縮率、澆注系統等工藝設計及制芯、組芯、浸涂工序等流程設計要點進行了重點介紹。

氣缸蓋；工藝設計；工藝流程

隨著人們環保意識的日漸提高，柴油機排放標準越來越嚴格；歐洲已于2013年底施行歐Ⅵ排放標準。我國柴油發動機排放標準緊跟歐洲，將全面實施國Ⅳ排放標準，國Ⅴ甚至國Ⅵ標準也在不遠的將來推行。濰柴WP10產品雖然占據了較大的市場份額，但作為一款老牌產品，其競爭優勢在逐漸減少。為做好技術儲備，保證未來5～15年內的競爭力，開發面向未來市場、性能先進的柴油機對我廠今后的持續高速發展意義重大。

1 聯體氣缸蓋結構分析

H1柴油機是全新平臺柴油機，最高爆發壓力200×105Pa，缸徑116 mm，缸心距144 mm。因此H1氣缸蓋設計為四氣門聯體氣缸蓋（如圖1所示），外觀尺寸969×348×135（mm）,材料為HT325。

圖1 H1氣缸蓋外觀圖

H1氣缸蓋結構復雜，壁厚差別較大（如圖2所示）。進氣側存在螺栓搭子與氣門導管搭子連到一塊的厚大部位，可能會在鑄件上形成縮松缺陷。進氣管壁厚5.5 mm，且不易放置冒口補縮。

圖2 H1氣缸蓋壁厚差別大

上水夾層共20個工藝孔、6個噴油器孔及6個串水孔；下水夾層1個工藝孔、4個串水孔；滿足鑄造工藝清理及砂芯固定要求。上、下水夾層結構如圖3所示。

圖3 上下水夾層結構

2 鑄造工藝設計

2.1 鑄造收縮率

鑄造收縮率是所有鑄造工藝中最基本的工藝參數之一。在工藝設計時鑄造收縮率選擇的正確與否直接影響鑄件的尺寸精度和幾何形狀精度。鑄造收縮率主要與鑄造合金成分和砂型、型芯阻力有關，此外還與鑄件結構復雜程度、壁厚大小等多種因素有關[1]。

本文通過對本公司現生產的類似缸蓋進行多次統計分析發現1%鑄造收縮率偏小，H1氣缸蓋鑄造收縮率設計為1.1%。考慮到進氣道芯、上水夾層芯為整體長尺寸覆膜砂熱芯，鑄造收縮率設計為1.0%；同時，因為大尺寸熱芯盒制芯過程中芯盒本體發生線性膨脹，砂芯鑄造收縮率設計時需要考慮熱芯盒的線膨脹系數。

工藝驗證過程中按上述收縮率設計的H1氣缸蓋加工、劃線尺寸合格。

2.2 澆注系統設計

針對H1氣缸蓋的結構特點，采用立澆工藝，將進氣管側放置在砂箱底部。兩層內澆口設計在螺栓搭子位置，避免鐵液沖刷砂芯；底層內澆口盡可能靠近底部，平衡底部薄壁進氣管處溫度場，如圖4所示。

圖4 缸蓋立澆工藝

2.2.1 阻流截面確定

鑄件毛坯質量390 kg，壁厚5.5 mm，澆注平均壓力頭520×9.8 Pa，采用索伯列夫圖表法初步確定阻流截面積為21 cm2。

澆注系統各組元截面設計比例為F直∶F橫∶F內=1.1∶1∶1.6，先封閉后開放，既有利于擋渣，又使充型平穩。

根據上述澆注系統截面積設計，完成充型模擬三維，經Anycasting軟件模擬充型時間為32 s，澆注時間過長；加大阻流面積至30 cm2，充型時間26 s，如圖5所示。最終確定H1氣缸蓋阻流截面積為30 cm2。

圖5 充型時間26 s

2.2.2 階梯式澆注設計

設計階梯式澆注系統，底層內澆口截面積為28.14 cm2，接近阻流截面積，解決以前澆注系統設計時雖然設計兩層內澆口但同時進鐵液的問題。模擬結果顯示8 s時僅底層內澆口進鐵液，至16 s時澆注液面上升到距離上層內澆口約35 mm處上層內澆口開始進鐵液（如圖6所示）。

圖6 充型過程

2.3 砂芯設計

砂芯設計時既要要考慮砂芯間隙、定位、排氣、固定等工藝因素，還要考慮生產現場的設備能力及與其它產品工藝裝備共用的問題。

2.3.1 砂芯種類

根據產品結構特點，每個缸蓋設計為1顆底盤芯、1顆上蓋芯、6顆下夾層芯、6顆排氣道芯、1顆進氣道芯、1顆上夾層芯、1顆1#長條芯、1顆2#長條芯、1顆前短邊芯、1顆后短邊芯、2顆定位芯共11種22顆砂芯（如圖7所示）。

將H1缸蓋長條芯（總長度930 mm）分為1#長條芯、2#長條芯，并采用一圓芯頭與另一端芯頭的兩側面固定；保證了砂芯均在同一車間制芯工部生產，方便生產管理與有序組織。

圖7 分芯設計

2.3.2 芯頭設計

下夾層芯、排氣道芯等單體砂芯的芯頭間隙設計為0.2 mm；進氣道芯、上夾層芯等整體砂芯的定位芯頭間隙設計為0.3 mm，非定位芯頭間隙0.5 mm；不同的間隙設計既實現了下芯方便又保證了鑄件尺寸精度。

3 工藝流程設計

根據車間現有條件將H1氣缸蓋設計在HWS靜壓造型線進行樣件試制與生產。機器人自動浸涂，平組立澆，一箱兩件；缸蓋毛坯經粗清、去應力退火后進行振擊除芯、貫通拋丸。

3.1 制芯

根據兼顧效率與品質的原則，合理設計制芯工藝；砂芯全部在同一車間制芯工部生產。

(1)上/下夾層芯形成缸蓋的水腔，鑄件內腔不允許有粘砂、殘砂及斷芯等缺陷，因此砂子采用高強度寶珠覆膜砂。上/下水夾層芯分別在大山V-top-1135熱芯機/MRD20T熱芯機上制芯，垂直分型并將射嘴設計到芯頭部位，提高水夾層平面度，改善鑄件內腔品質。

(2)進/排氣道芯在大山V-top-1135熱芯機/ Z9404W熱芯機上制芯，采用普通覆膜砂，以避免冷芯易產生的氣道脈紋缺陷。

(3)5種12顆冷芯在MLC25BH冷芯盒射芯機上制芯，布置在一套芯盒內（如圖8所示），提高制芯效率。

圖8 長條芯、短邊芯、定位芯芯盒布置圖

3.2 底盤芯組預組芯

在缸蓋組芯線使用熱熔膠系統將下水夾層芯、進排氣道芯、上水夾層芯、前后短邊芯、1#長條芯、2#長條芯組裝到底盤芯中，在組芯時同時使用粘結劑粘結，如圖9所示；這樣既可以實現組芯后快速浸涂，提高效率，又可以有效保證烘干后砂芯間有效固定。

圖9 底盤芯預組芯

3.3 浸涂、烘干

浸涂機器人分別夾取底盤芯組、上蓋芯在浸涂池中浸涂杜倫斯涂料，控灰后放在缸蓋涂料表干爐的烘干托盤上進爐烘干。

圖10 機器人浸 涂

3.4 組裝上蓋芯與整體組芯

人工利用上蓋芯組芯機械手吊起上蓋芯，翻轉180°，扣在底盤芯組上，組成單體芯組，如圖11.a所示。

使用整體組芯機械手，夾取兩個單體芯組從烘干托盤上轉運到整體組芯胎具上，底盤芯面對面放置。兩個芯組采用組芯螺栓把緊之后利用整體組芯機械手將整體芯組從胎具轉運到運輸托盤上，如圖11.b所示。

圖11 組芯

3.5 造型

在中件二車間HWS造型線造型，一箱兩件。先人工用機械手將整體芯組分別吊入下芯胎具，再用下芯機夾取整體芯組下芯。

3.6 清理

缸蓋經粗清后由機械手抓取放置在退火爐臺車上，鑄件進退火爐進行熱處理；從退火爐出來后經平板輸送機到振擊除芯工序，進行振擊除芯。之后人工轉移到雙行程懸鏈輸送吊鉤式拋丸清理機進行粗拋丸處理。

樣試階段粗拋、倒丸后人工裝料斗轉至人工細清間進行細清。細清完成后到機械手拋丸清理機進行精拋，之后后由行車吊至地面進行檢查、入庫。

4 結論

（1）大尺寸熱芯盒砂芯鑄造收縮率設計時應考慮熱芯盒的線膨脹系數；考慮進排氣道閥座的位置精度對柴油機性能的影響，進氣道芯、上水夾層芯鑄造收縮率與外模收縮率應取不同的值。

（2）聯體氣缸蓋立澆工藝宜采用階梯式澆注系統，凝固過程中溫度場溫差小，減小長度方向整體變形量。

（3）綜合考慮車間已有流程的基礎上，合理設計制芯、浸涂、組芯、清理的工藝流程，可以提高生產效率和毛坯品質。

[1] 李昂，吳密．鑄造工藝設計技術與生產質量控制實用手冊[M].北京：金版電子出版社，2003:421.

[2] 張玉娟;韓志濂;徐駿華.226B氣缸蓋鑄造缺陷的解決[J]. 中國鑄造裝備與技術,2007(1).

[3] 李平,魏伯康,段漢橋,等. 6105缸蓋排氣道殼芯穿芯問題的防止[J]. 中國鑄造裝備與技術,2003(4).

《鑄造》雜志征訂啟事

《鑄造》雜志創刊于1952年10月1日，國內外公開發行（國際標準刊號：ISSN 1001－4977，國內統一刊號：CN 21－1188／TG，郵發代號：8－40）。現由沈陽鑄造研究所、中國機械工程學會鑄造分會主辦，鑄造雜志社編輯出版。

本刊以報道應用技術為主，堅持面向經濟建設、面向生產實際，致力于促進我國鑄造科技的進步和生產的發展。

本刊內容涉及鑄鋼、鑄鐵、鑄造有色合金和特種金屬材料，涵蓋砂型鑄造、壓鑄、熔模精鑄、消失模鑄造等整個鑄造技術領域，報道國內外鑄造領域的先進科技成果和應用技術，成功企業的生產及管理經驗，國內外鑄造行業信息及活動等。刊登鑄造國家標準和行業標準的解讀文章，介紹企業開展質量管理工作的先進經驗。

《鑄造》雜志為中文核心期刊、中國科技論文統計源期刊、中國科學引文數據庫源期刊、美國化學文摘（CA）源期刊、中國科技文獻數據庫源期刊等，被國內外20余種數據庫收錄。曾榮獲“第二屆國家期刊獎提名獎”、“第三屆國家期刊獎”、“第二屆中國出版政府獎期刊獎提名獎”、“中國北方十佳期刊獎”等中國出版界重大獎項，并入選2012“中國國際影響力優秀科技期刊”、2013“中國百強科技期刊”。

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Discussion of conjoined cylinderhead casting process design

SUN XiaoMin, ZANG JiaLun,WANG Yong
（Weichai Power Co., Ltd., Weifang 261061, Shandong, China）

The article discusses the key points of conjoined cylinderhead casting process, including the design of casting process and workingfl ow; The casting process design such as shrinkage ratio and gating system, the working fl ow as to core making, core assembly, coating etc., are mainly introduced.

cylinderhead; process design; casting shrinkage ratio

TG242；

A；

1006-9658（2016）05-0023-04

10.3969/j.issn.1006-9658.2016.05.006

2016-01-26

稿件編號:1601-1238

孫曉敏（1981—），女，工程師，現從事鑄造工藝開發工作.