D30氣缸蓋射水孔結構的鑄造工藝性優化設計

劉毅

（廣西玉柴機器股份有限公司，廣西玉林 537005）

D30氣缸蓋射水孔結構的鑄造工藝性優化設計

劉毅

（廣西玉柴機器股份有限公司，廣西玉林 537005）

通過對D30氣缸蓋射水孔的產品功能及鑄造工藝性需求分析，提出了射水孔以直鑄結構替代埋管結構的產品優化方案。并通過CAE水流場分析及可靠性驗證試驗，完成射水孔直鑄方案的選擇，解決了D30氣缸蓋下水道砂芯實現自動化生產的問題，根除了埋管鑄造工藝極易產生的鑄造缺陷。

氣缸蓋；射水孔；結構設計優化；鑄造工藝；彎管；砂芯；自動化生產

D30氣缸蓋毛坯是玉柴鑄造事業部缸蓋產量較大的產品之一，四缸一蓋，年產量10~15萬件。該氣缸蓋射水孔原來的結構是采用鑲鑄形式把預制銅質彎管與鑄件本體結合為一體（圖1）。在鑄造生產中，這樣的結構要求把預制彎管按產品設計位置預埋在氣缸蓋下水道芯中，澆注后鑄件本體與預制彎管螺紋段熔合在一起，鑄造工序較多，鑄件品質也不能有效保證。另一方面，對于玉柴技改升級的氣缸蓋自動化鑄造生產線來說，這種結構不能在全封閉的制芯中心上實現下水道砂芯的全自動化生產。本文將針對這一系列問題，以滿足鑄造新工藝需求及產品性能要求為前提，對D30氣缸蓋射水孔結構的優化設計進行探討分析。

圖1 D30氣缸蓋內腔彎管（鑄件與模型）

1 D30埋管氣缸蓋關鍵鑄造工藝及主要存在問題

1.1 預制彎管的預處理

為了防止澆注過程中鐵液浸入彎管內腔中，清凈彎管內腔后再預先往其中填實冷芯砂，再在彎管的兩端芯砂封口處滴上適量的三乙胺溶液，使冷芯砂硬化，防止芯砂流出，然后清凈彎管與鑄件本體鑲聯熔合的螺紋段，再入烤爐烘烤。圖2為經過預處理的彎管。

圖2 預先處理后的彎管

1.2 埋管下水道芯的制作

采用覆膜砂，在熱芯機上射制砂芯。射砂前前先在模具中對應位置放置彎管（圖3），然后合模、射砂、固化、取芯。砂芯射制后在組芯、浸涂料前先用生料帶纏上彎管螺紋段（圖4），以防止砂芯浸涂料后螺紋段被涂料覆蓋，不能與鑄件本體熔合，下芯前再去除彎管螺紋段處的生料帶。

圖3 放置好彎管的芯盒

圖4 制好的埋管下水道芯

1.3 埋管氣缸蓋的生產工序及產品主要問題

（1）彎管中填充的冷芯砂不易緊實，澆注過程中鐵液易從氣缸蓋底面彎管入水口浸入，導致入水口燒結堵塞，增加鑄件清理工作量甚至導致鑄件報廢。

（2）彎管螺紋段的表面清潔品質不能有效保證，導致鐵液與彎管螺紋段熔合不良，氣缸蓋從此處漏水而報廢；

（3）每個氣缸蓋需4個彎管，其成本占比高。

彎管制芯工藝工序多，操作繁雜，需要大量的人工操作，工序品質不能有效保證，直接影響到鑄件品質。更為關鍵的是，在玉柴新技改升級的氣缸蓋生產線上，這樣的工藝不能在全封閉的全自動的制芯中心上實施，需要基于鑄造流程及工藝需求優化產品結構。

2 產品結構優化的CAE分析

2.1 射水孔結構優化思路

射水孔的主要作用是在柴油機工作時，引導從氣缸體經射水孔流入氣缸蓋內腔的水流以一定的速度流過氣缸蓋進、排氣道鼻梁區，帶走鼻梁區處因柴油機氣缸內油氣混合物高溫燃燒而產生的傳導熱量，降低鼻梁區溫度，避免氣缸蓋產生裂紋。基于這一功能需求，可以考慮取消預埋彎管，把射水孔直接在氣缸蓋本體上鑄出[1]。

2.2 射水孔首次結構優化方案及水流場CAE分析

從圖1中可以看到，為了加強冷卻效果，預埋彎管出水口直達氣缸蓋鼻梁區。但要取消預埋彎管直鑄射水孔，下水道芯需要把原先預埋彎管的位置上下挖穿，在鼻梁區射水孔出水口位置連接射水孔砂柱。射水孔出水口太靠近鼻梁區，勢必降低下水道芯鼻梁區處的強度，也會使射水孔砂柱變長，制芯過程中容易使砂柱斷裂掉落。為了使下水道芯具有合理的鑄造工藝性[2]，首次優化采取了以下措施（關鍵尺寸如圖5）：

（1）改短了射水孔，加大了出水口與鼻梁區之間的距離，保證鼻梁區砂芯結構強度；

（2）射水孔形狀由均勻的圓柱孔更改為由圓形漸變過度到方形的結構，出水口方形截面增大，加大了射水孔砂柱與下水道芯的連結強度；

（3）由于下水道砂芯預埋彎管位置上下挖穿后，射水孔兩側的砂位非常薄弱，同時射孔水壓不高，因此射水孔兩側壁厚由正常的5 mm更改為3 mm。

根據此方案，在同樣的邊界條件下，對優化的氣缸蓋及埋管氣缸蓋模型進行CAE水流場對比分析[3]（其模型對比狀態圖如圖6）。

圖5 射水孔首次優化圖

圖6 射水孔結構變化對比圖

圖7 是埋管模型和首次優化模型缸蓋底面以上35 mm平面處水流速度矢量圖，對比兩圖可以看出，氣缸蓋鼻梁區的水流速度，埋管氣缸蓋在1.8~2.1 m/s之間，首次優化氣缸蓋在0.9~1.2 m/s之間。CAE水流場對比分析結論：首次優化模型鼻梁區水流速度比埋管模型下降一半左右，存在冷卻不足的風險，如需轉產須進行嚴格的試驗驗證。

圖7 鼻梁區水流速度矢量對比圖

2.3 射水孔二次優化及三種模型CAE對比分析

首次優化模型的CAE水流速度分析表明取消埋管的射水孔結構需要進一步改進。針對首先優化方案進行分析認為：由于射水孔面積增大，導致出水口水流速度大幅度下降，另外由于出水口與鼻梁區距離增大，也會引起出水口水束分散，不能有效地匯聚到鼻梁區，影響散熱效果。為此采取以下措施進行射水孔結構的二次優化（關鍵尺寸如圖9）：

（1）射水孔截面不變，更改為與彎管內徑一致，取消方形出水口；

（2）在射水孔的出水口處增加導流板，引導水流匯聚到鼻梁區。

圖9 射水孔二次優化圖

對三種射水孔結構的氣缸蓋模型進行CAE水流場綜合分析，結果如下：

（1）4個射水孔的水流量變化：在射水孔改變前后，各射水孔水流量變化很小（圖11），說明兩次優化的模型對機體各個上水孔的冷卻水流量分配比例影響很小。

射水孔編號（見圖6）埋管模型首次優化模型二次優化模型1 0.2680.2680.284 2 0.2540.2560.269 3 0.2470.2510.255 4 0.2510.2550.259

圖11 各射水孔水流量對比圖

（2）二次優化模型的鼻梁區水流速度(圖12)：在1.5~1.8 m/s之間，與圖7對比，其速度比首次優化模型有明顯的改善，比埋管模型略差。

圖12 二次優化模型鼻梁區水流速度矢量圖

（3）鼻梁區熱傳遞系數（HTC）對比：熱傳遞系數分布和速度分布基本上是對應關系，速度越高，HTC越大。圖13顯示了三種模型鼻梁區的HTC分布云圖，二次優化模型的HTC比首次優化模型有明顯的改善，比埋管模型略差。

圖13 鼻梁區熱傳系數（HTC）分布對比云圖

(4) CAE水流場綜合分析建議：二次優化模型鼻梁區的冷卻水流動速度及熱傳系數（HTC）比埋管模型略變差，卻比首次優化模型改善很多，基本能夠滿足鼻梁區的散熱要求，建議采用二次優化模型進行試驗驗證。

3 結構優化產品的試驗驗證

射水孔采用二次優化方案進行產品試制，其結構解剖見圖14，其尺寸符合圖紙要求。整機進行以下試驗，結果均滿足驗證要求：

（1）整機水溫測試試驗：檢測11臺整機，標定工況出水水溫為79 ℃~88.7 ℃， 均值為85 ℃；最大扭矩點出水溫度為78 ℃~94.6 ℃，均值為86.6 ℃。兩個試驗數值均符合出水溫度技術條件（77 ℃~95℃）的要求。

（2）整機120 h可靠性試驗：發動機工作正常，試驗過程及試驗后拆檢未發現氣缸蓋有漏油、漏水、漏氣等相關品質故障；發動機功率、排放、油耗、出水溫度（80 ℃~84 ℃）在技術條件范圍內。

（3）整機300 h深度冷熱沖擊試驗：該試驗是射水孔結構優化后針對氣缸蓋進行的的專項考核試驗，試驗結論：整機性能檢驗項目試驗結果為合格，整機可靠性檢驗項目檢測結果為合格。關鍵考核件氣缸蓋試驗過程正常無“三漏”現象，拆檢未發現裂紋，試驗件經過水壓試驗未發現滲漏現象。射水孔結構二次優化后的氣缸蓋，通過300 h深度冷熱沖擊試驗，滿足可靠性要求。

圖14 二次優化的射水孔截面圖

4 結構優化后氣缸蓋下水道芯的自動化生產

經過產品試驗驗證，射水道直鑄結構最終采用二次優化方案。氣缸蓋毛坯在玉柴鑄造事業部新技改升級的氣缸蓋自動化鑄造生產線上組織生產。其制芯生產線采用LORAMENDI制芯中心SLC2-100L/CF射芯機實現制芯自動化，所有砂芯采用冷芯工藝。與其它三缸/四缸氣缸蓋一樣，D30氣缸蓋下水道砂芯一盒四件，制芯單元的制芯循環節拍為40盒/小時，兩個制芯單元同時制芯，與造型線一箱生產四件毛坯所用砂芯及其生產節拍80型/小時匹配。制芯過程用機器人實現整盒砂芯一次性整體取芯、一次性整體組芯、一次性整體浸涂等工序操作(圖15)。

圖15 D30氣缸蓋下水道砂芯自動化生產簡圖

5 結語

D30氣缸蓋射水孔結構優化活動，通過細致的鑄造工藝性需求分析、嚴謹的結構改進方案設計、嚴格的產品試驗驗證得以實現。在鑄造生產方面，該氣缸蓋采用射水孔新結構以來，已經實現了幾十萬件氣缸蓋毛坯的產出，這一活動不僅取消了原埋管氣缸蓋制取下水道芯一系列繁復的操作，使它可以實現自動化生產，優化了鑄造生產流程，而且徹底解決了原先氣缸蓋射水孔燒結、漏水等鑄造問題，為企業創造了可觀的經濟效益。

[1] 林琳.柴油機氣缸蓋水道芯的結構優化[J].中國鑄造裝備與技術，2012（5）：22-24.

[2] 中國機械工程學會鑄造分會組編.鑄造手冊（第5卷）鑄造工藝（第3版）[M].北京：機械工業出版社，2011.5： 44-70.

[3] 衛軍朝，姚亮宇，周海濤等.燃氣機氣缸蓋水腔流場及剛強度優化[J].機械設計與研究，2013（03）：97-100.

Structural optimization design for its castability of water-ejecting hole in D30 cylinder head

LIU Yi
(Guangxi Yuchai Machinery Co.,Ltd.,Yulin 537005,Guangxi,China)

According to the requirements of product function and casting process, the structural optimization design is brought out for the water-ejecting hole of D30 cylinder head, i.e. replacing the bend tube used as the water-ejecting hole in it with directly casting the hole. Also, CAE analysis of waterflow velocity field and reliability verifi cation test are done to aid in fi nishing the selection of product optimization scheme. As the result of all these actions, it comes true that the lower water jacket core of D30 cylinder head can be made by automatic production, and the casting defects are eliminated that easily caused by casting processes with bend tube.

cylinder head; water-ejecting hole; structural optimization design; casting process; bend tube; core; automatic production

TG242.7；

B；

1006-9658（2017）04-0041-04

10.3969/j.issn.1006-9658.2017.04.012

2016-12-26

稿件編號:1612-1625

劉毅（1969—），男，碩士，工程師，主要從事鑄造工藝工裝設計工作.