某型柴油機缸蓋的工藝優化及生產驗證

宋學恩，邢 偉，馬素娟，王煥寧

（濰柴重機股份有限公司，山東濰坊 261108）

我廠生產一種柴油機缸蓋（以下簡稱S缸蓋），由于其結構復雜，鑄造工藝較差，生產中存在斷芯、氣孔缺陷。本文針對S缸蓋的鑄造缺陷進行了分析，并提出了解決方案。

1 缸蓋簡介

該缸蓋為四氣門柴油機缸蓋（具體結構見圖1），毛坯重量為170kg，鑄件最大輪廓尺寸為603mm×295mm×436mm，主要由進排氣道、上下水腔、油腔、搖臂腔、螺栓孔等結構組成。

圖1 缸蓋毛坯三維圖

2 原工藝方案及驗證情況

圖2 工藝方案

根據車間現場生產情況，采用堿性酚醛樹脂砂工藝造型，水腔、氣道等薄弱砂芯采用覆膜砂熱芯盒機械制芯，其余厚大砂芯采用普通硅砂冷芯盒機械制芯[1]，1 箱 2 件，水平澆注，澆注溫度 1350～1360℃，工藝方案見圖2。

根據此工藝方案生產4箱8件缸蓋，全部出現下水腔芯斷芯（見圖3），同時上平面均存在氣孔缺陷（見圖4）。

圖3 斷芯缺陷

圖4 氣孔缺陷

3 缺陷原因分析

3.1 斷芯缺陷

（1）S缸蓋產品設計下水腔工藝孔較小，導致下水腔芯工藝孔處強度較弱（下水腔芯結構和截面詳見圖5和表1）。砂芯工藝孔截面積和與砂芯體積比為1.22:1。

（2）S缸蓋下水腔為非閉合環狀結構，且在環狀結構開口處存在厚大部位。在鐵水澆注過程中，砂芯受到向上浮力，而開口兩端Ⅰ、Ⅳ芯頭位置類似杠桿結構末端，受到浮力作用最大。

3.2 氣孔缺陷

S缸蓋下水腔芯澆注過程中斷芯，形成氣體生成源，不斷有氣體溢出，形成氣孔缺陷[2,3]。

4 工藝優化措施及驗證

4.1 第一次工藝改進、驗證及相關分析

（1）工藝改進：1）使用高溫下強度更高的北京仁創高強度覆膜砂，替代普通覆膜砂，提高砂芯高溫強度；2）在下水腔芯頭Ⅱ對應的厚大位置使用芯撐，平衡厚大位置所受浮力。

圖5 下水腔芯結構

表1 各工藝孔截面積和等效直徑

（2）生產驗證：按上述工藝生產4箱8件全部出現下水腔斷芯缺陷，同時伴隨螺栓孔附近氣孔。

（3）原因分析：下水腔斷芯主因是工藝孔尺寸較小，采取的措施不足以消除斷芯風險。

4.2 第二次工藝改進及驗證

（1）工藝改進：與產品設計部門溝通，增大下水腔工藝孔尺寸，將工藝孔截面積和與砂芯體積比設為1.58:1，詳見表2。

表2 第二次改進各工藝孔截面積和等效直徑

（2）生產驗證：按以上工藝生產8箱16件，其中4件仍存在斷芯缺陷，并伴隨有氣孔缺陷；另有6件有氣孔缺陷但未斷芯；其余6件無缺陷。

（3）原因分析：1）增大工藝孔尺寸能提高砂芯強度，降低斷芯風險，但工藝保證系數仍不足；2）斷芯缺陷是形成氣孔的一個原因；但上平面螺栓孔位置無有效排氣通道，無法順利排出型腔氣體也是原因之一[4]。

4.3 第三次工藝改進及驗證

（1）工藝改進：1）在滿足產品要求的前提下，進一步增大工藝孔尺寸（詳見表3），砂芯工藝孔截面積和與砂芯體積比為2.91:1；2）在螺栓孔兩側增加4mm×8mm的排氣通道（詳見圖6）。

（2）生產驗證：生產8箱16件，均無斷芯缺陷；其中8件螺栓孔增加排氣通道無氣孔缺陷，8件螺栓孔未加排氣通道的有4件有氣孔缺陷。

表3 第三次改進各工藝孔截面積和等效直徑

圖6 螺栓孔排氣通道

（3）批量驗證：按照螺栓孔增加排氣通道工藝驗證20箱40件，未出現氣孔缺陷。

5 結論

（1）薄弱砂芯尤其是非封閉環狀結構砂芯，需要在滿足產品設計要求的前提下盡可能增大工藝孔尺寸。

（2）砂芯斷芯極有可能伴隨氣孔缺陷的發生，同時在鑄件上平面無有效排氣通道也會出現氣孔缺陷。

（3）產品設計需同時兼顧鑄造工藝性，加強產品協同設計有助于新產品快速開發成功。