發(fā)動機六缸缸體鑄造工藝設計實踐

張永偉

（亞新科國際鑄造（山西）有限公司，山西 絳縣 044000）

發(fā)動機六缸缸體鑄件結構及芯組如圖1、圖2所示。該缸體沒有圍繞每個缸筒的水套芯，但比同類型發(fā)動機氣缸體多了一個水泵水道芯組，以及上下兩個狹長的水道芯，與缸體的缸筒芯形成多層芯組，如果澆注系統(tǒng)等工藝及參數(shù)設計不當，鑄件易產(chǎn)生砂眼、渣眼及氣孔等鑄造缺陷。通過采用大孔出水澆注系統(tǒng)和工藝技術，獲得了良好的效果。

圖1 鑄件3D 圖

圖2 芯組3D 圖

1 缸體的基本參數(shù)和基本工藝分析

六缸缸體產(chǎn)品輪廓尺寸為：864 mm×468 mm×384 mm，最小壁厚5 mm（如圖3 所示）。鑄件內腔由6 個缸筒芯、2 個側板芯、2 個水道芯（上水道芯+下水道芯）、水泵芯等共13 個砂芯形成。鑄件的外形則通過上、下砂型形成。造型線用德國KW 生產(chǎn)線，砂箱尺寸1 200 mm×1 000 mm×450 mm/450 mm并采用上、下水道芯和水泵芯單獨下芯、主體芯整體浸涂下芯工藝進行生產(chǎn)。

圖3 六缸缸體輪廓尺寸及最小壁厚圖

2 缸體鑄造工藝方案的確定

2.1 缸體分型面確定以及在砂箱中的布置

缸體鑄造分型面的確定：一般原則是選擇為上型，是便于鑄型排氣，結構相對簡單，沒有多余、單獨需要下芯的鑄件形狀面；選擇為下型，一般是小砂芯多、需要提前單獨下芯，結構較為復雜等，如本產(chǎn)品的上、下水道芯和水泵芯。根據(jù)這個原則該缸體則選定如圖4 所示的上、下型分型面。

圖4 缸體分型面圖

要保證生產(chǎn)時模型能順利起型，保證砂型完好，模型四周距離砂箱的距離（吃砂量）最小要大于80 mm（最好大于100 mm），在此前提下再考慮砂芯芯頭的大小，而且砂芯的芯頭應足夠大。一方面避免因芯頭過小砂芯下入型腔后出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，由于砂芯是作用于一個臺階形的芯座上，若下芯平穩(wěn)性稍差或尺寸略有偏差等不良狀況時，芯頭過小則易壓垮其臺階形的芯頭座，而使砂型受力坍塌造成砂眼缺陷。另一方面可以在較大尺寸的芯頭上設置澆注系統(tǒng)、溢流道、排氣道以及封火結構等。該六缸缸體的布置圖以及吃砂量大小（一般高壓造型砂箱四周的吃砂量至少大于80 mm）如圖5 所示，缸體缸筒芯芯頭的大小如圖6 所示，設計時缸筒芯頂面的芯頭大小在80 mm～120 mm 之間，底面的芯頭大小在120 mm～180 mm 之間，具體的取值受砂箱大小、澆注系統(tǒng)和溢流排氣系統(tǒng)等其他工藝參數(shù)的影響。

2.2 缸體鑄造收縮率和工藝補正量的確定

圖5 缸體的布置及吃砂量

圖6 缸體缸筒芯芯頭尺寸

鑄造收縮率是缸體工藝設計中一個重要參數(shù)，不僅與合金成分、澆注溫度、鑄型剛度以及砂芯強度等條件有關，還與鑄件的結構有關。缸體屬于薄壁、結構復雜的箱體鑄件，因而收縮率的選擇更為困難。一般應在經(jīng)驗和在與批量生產(chǎn)相同條件下試制后反復檢測分析相結合制定。因為此產(chǎn)品與公司內其他缸體類似，結合以往經(jīng)驗制定了收縮率為：缸體的寬度方向取0.8%，長度和高度方向都取1%.

在實際工藝設計中，經(jīng)常采用正或負的工藝補正量來解決缸體鑄造過程帶來的尺寸偏差問題。在該缸體的工藝設計中，加大了所有凸臺搭子直徑、斜度和根部圓角，并根據(jù)鑄件CT9 的尺寸公差要求，將要求的最小壁厚公稱尺寸5 mm，在制作模具時按5.6 mm 考慮。

3 澆注系統(tǒng)的設計

3.1 澆注系統(tǒng)類型的確定

缸體的澆注系統(tǒng)設計是比較復雜的，其澆注系統(tǒng)既要保證充型平穩(wěn)、有利于排氣、有利于補縮，又要有很好的擋渣、慮渣功能。經(jīng)過綜合分析該缸體采用中注式分層澆注系統(tǒng)，內澆口設置在缸體曲軸室的上下軸瓦面上，形成上下分層的澆注方式如圖7 所示。

圖7 缸體內澆口位置圖

3.2 鑄件有效澆注時間的確定

大多數(shù)資料所涉及的鑄件澆注時間，均指的是液態(tài)金屬從開始進入型腔到完全充滿型腔所經(jīng)過的時間。到目前為止，絕大多數(shù)工廠均仍沿用傳統(tǒng)的澆注時間理論指導鑄件澆注時間的確定，以致澆注時間過長，鑄件缺陷增加。在該缸體鑄造工藝設計中，采用了鑄件的有效澆注時間新理論（大孔出水理論-魏兵：鑄件均衡凝固技術與應用）來指導其澆注系統(tǒng)的設計，鑄件的有效澆注時間指的是金屬液開始進入型腔至充滿鑄件最高輪廓為止的時間，該六缸缸體的有效時間t 確定如下。

將缸體鑄件的相應特征參數(shù)：鑄件重量（G件）250 kg，鑄件最小壁厚（δ）5 mm，代入式⑴，計算得到該鑄件的有效澆注時間t 為22 s.該計算公式充分考慮了鑄件最小壁厚對澆注時間的影響。

3.3 澆注系統(tǒng)最小截面積的確定

大多數(shù)工廠采用的是水力學的理論公式來計算澆注系統(tǒng)最小截面積ΣF阻，但生產(chǎn)實踐普遍反映該方法的計算值比實際偏小。在該缸體的鑄造工藝設計中，采用了大孔進水技術的公式（2）計算的澆注系統(tǒng)最小截面積ΣF阻.

式中：ΣF阻—非撥塞式澆注系統(tǒng)最小截面積，cm2；

G件—鑄件的重量（不含澆冒口），kg；

ρ—密度，kg/cm3，灰鑄鐵取0.007 1 kg/cm3；

g—重力加速度，9.8 N/kg；

δ—鑄件主要壁厚（通常指最薄壁厚），cm；

ω—材質指數(shù)，灰鑄鐵為0.24；

t—鑄件有效澆注時間s，按式⑴求得。

將缸體鑄件的相應特征參數(shù)G件和δ 代入式（2），計算該鑄件一箱一件（濕型黏土砂外型）鑄造生產(chǎn)條件下的澆注系統(tǒng)最小截面積ΣF阻=19.49 cm2.

3.4 澆注系統(tǒng)的截面比例關系

缸體澆注系統(tǒng)截面比例關系的確定，也是缸體工藝設計的重要組成部分，成熟的缸體工藝設計各組元截面的比例關系一般都采用封閉－開放式。這樣既有利于阻渣，又保證了充型平穩(wěn)，能夠滿足氣缸體復雜結構的充型要求。即：F直＞F阻＜F橫＜F內，且F直＜F橫＜F內，同時阻流截面一般設在距直澆道不遠的橫澆道上。該缸體的截面比約為F阻：F橫：F內=1∶2∶2.5.在缸體的澆注工藝中，基本上都采用過慮網(wǎng)，以在澆注過程進一步擋渣。缸體完整的澆注系統(tǒng)如圖8 所示。

圖8 缸體澆注系統(tǒng)圖

4 排氣、溢流系統(tǒng)的設計

由于氣缸體的鑄造過程中采用大量的樹脂砂芯以及涂料等，這些都是大量發(fā)氣物質，同時鐵水在流入濕砂型中也會產(chǎn)生大量氣體。因此，澆注工藝中排氣系統(tǒng)的設計是非常關鍵的，排氣系統(tǒng)設計的好壞，直接決定著澆注工藝設計的成敗，決定著鑄件綜合廢品率的高低。

作為缸體鑄造的排氣系統(tǒng)，可分為兩個方面：一個是排除澆注過程中整個鑄型型腔的氣體，另一個就是排除砂芯，涂料等在高溫鐵水作用下產(chǎn)生的氣體。對于排除鑄型型腔氣體，一般是采用在上箱面或側面直接以通氣針（片）形式引出，而在缸頂面或缸底法蘭面引出儲氣包則為排除型腔氣體的較佳選擇。對于排除砂芯涂料等的氣體，一般是采用從頂蓋處通過曲軸箱做出排氣道來排除或在主體芯的前后端鉆出相應的排氣道，同時盡可能大的來排除氣體。

溢流系統(tǒng)前期主要是排除型腔中氣體，后期是容納金屬液中的熔渣和氣體、散砂等，如果設計得當還可以起到一定的補縮作用。

在該缸體鑄件上，缸頂上設置了一條溢流道，起到了相當好的效果，如圖9 所示。

圖9 缸體溢流、排氣系統(tǒng)圖

5 造型、制芯工藝的確定

康明斯PEGASUS 缸體的鑄造生產(chǎn)方式為：外型為黏土濕型砂，擠壓震擊造型；砂芯除上、下水道芯采用熱芯盒制芯方式外，其余砂芯全部采用冷芯盒（SO2）制芯方式。在這種鑄造生產(chǎn)方式下，熱芯盒的分盒負數(shù)單面取0.2 mm；冷芯盒的分盒負數(shù)單面取0.15 mm.用這樣的分盒負數(shù)制出的砂芯在上涂料后，將砂芯在組芯胎具上組好并用組芯螺栓緊固后，能夠較好地達到工藝縮尺所要求的狀態(tài)，能使鑄件獲得較為理想的尺寸精度。

6 缸體鑄造工藝凝固模擬

將缸體的澆注系統(tǒng)等鑄造工藝、參數(shù)設計完成后，利用鑄造工藝分析模擬系統(tǒng)進行鑄件的凝固模擬分析，以進一步驗證工藝參數(shù)制定的正確性。從圖10 和圖11 的充型速度和充型壓力的模擬結果來看，鐵水在內澆口處的速度和壓力穩(wěn)定；鐵水進入型腔后的速度和壓力也很穩(wěn)定，充型過程平穩(wěn)，減少了砂、渣眼類缺陷的產(chǎn)生。

圖10 充型速度模擬

圖11 充型壓力模擬

鑄件在充型過程的溫度基本保持一致，溫差控制在30 ℃的范圍之內，從圖片的溫度色差來看，沒有出現(xiàn)明顯的高溫和低溫區(qū)（見圖12），鑄件氣孔缺陷不會產(chǎn)生。

圖12 充型溫度模擬

7 結束語

該六缸缸體經(jīng)過試制得到如下的實際數(shù)據(jù)：澆注時間24 s，試制二次共計26 件，只有1 件因為澆注過程跑火致廢，其余均為成品，缸體鑄件克服了常見的氣孔、夾砂類鑄造缺陷，該產(chǎn)品一次開發(fā)成功，并很快進入批量生產(chǎn)階段。在此后三年內該缸體共計生產(chǎn)10 萬件以上，鑄件的內部廢品率與外部加工后的廢品率總計不超過2%，達到國內外領先水平，取得了良好的經(jīng)濟效益。

通過大孔出水技術的應用，將鑄件重量和壁厚納入澆注系統(tǒng)的阻力設計和澆注時間計算，設計出澆注過程平穩(wěn)，砂渣眼和氣孔缺陷率非常低（內外廢小于2%）的缸體鑄造工藝，為類似六缸體鑄造工藝開發(fā)提供了充分理論和實踐依據(jù)。