臧加倫，劉慶義（濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東濰坊 261061）

柴油機(jī)氣缸體產(chǎn)品結(jié)構(gòu)鑄造工藝性要素分析

臧加倫，劉慶義
（濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東濰坊 261061）

針對(duì)幾種氣缸體產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，從鑄造工藝性的角度進(jìn)行了深入的剖析。氣缸體結(jié)構(gòu)的鑄造工藝性在很大程度上影響了鑄件毛坯的機(jī)械性能、鑄造成本、生產(chǎn)工藝流程的復(fù)雜程度。

鑄造；鑄件結(jié)構(gòu)；鑄造工藝性

0　前言

氣缸體是內(nèi)燃機(jī)所有零件的安裝基礎(chǔ)，上面有很多安裝孔和表面。內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)，氣缸體要承受氣體的壓力、各種慣性力和緊固各零部件的預(yù)緊力，這使得氣缸體的結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜。中小型的內(nèi)燃機(jī)氣缸體多采用鑄造生產(chǎn)，并廣泛采用砂型鑄造工藝。

在設(shè)計(jì)鑄造氣缸體時(shí)，從結(jié)構(gòu)的鑄造工藝性角度來看，應(yīng)主要關(guān)注下述的幾個(gè)方面：①外型設(shè)計(jì)在滿足功能的前提下力求簡單和方便開模，機(jī)械化生產(chǎn)的產(chǎn)品外型避免使用活塊；②整個(gè)產(chǎn)品內(nèi)腔由不同的砂芯形成，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮鑄造的組芯工藝能否實(shí)現(xiàn)，批量生產(chǎn)是否穩(wěn)定可靠；③內(nèi)腔砂芯的設(shè)計(jì)充分考慮制芯工藝的可行性，三維造型同時(shí)設(shè)計(jì)分型線和開模斜度，盡量避免倒拔結(jié)構(gòu)；④外型和內(nèi)腔之間安排一定數(shù)量的工藝孔，使砂芯定位和支撐可靠，出氣通暢，清砂方便；⑤氣缸體的壁厚應(yīng)根據(jù)材料的流動(dòng)性、鑄件大小、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和生產(chǎn)廠的鑄造工藝水平等來確定。各部分壁厚應(yīng)盡可能均勻，避免厚大部位產(chǎn)生縮松、縮孔等缺陷。局部地方需要加厚時(shí)，從厚斷面到薄斷面的過渡要緩和和圓滑，圓角要適當(dāng)。

本文主要以濰柴動(dòng)力幾種產(chǎn)品的氣缸體為例，對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的鑄造工藝性進(jìn)行分析。鑄造工藝性的優(yōu)劣對(duì)鑄造生產(chǎn)工藝過程和毛坯質(zhì)量產(chǎn)生不同程度的影響。

1　砂芯的定位和固定

氣缸體內(nèi)腔十分復(fù)雜，使用砂芯多，主要依靠鑄出的孔來固定這些砂芯、引出砂芯中氣體、清理出砂芯砂。有些孔是柴油機(jī)設(shè)計(jì)功能需要的；有些孔是鑄造工藝需要的，加工后使用堵蓋堵死，這些孔是工藝孔。工藝孔的主要用途是出砂、排氣、砂芯定位和固定。

砂芯的定位和固定是不同的概念，但有時(shí)工藝孔芯頭的作用是兩者兼?zhèn)洹６ㄎ皇侵干靶驹诮M芯或下芯時(shí)的準(zhǔn)確程度，一般在定位芯頭沒有涂料的情況下，定位間隙控制在0.3 mm。砂芯的固定是指它在型腔中的牢固程度，如果不牢固，在液態(tài)金屬浮力作用下，很易產(chǎn)生位移（漂芯或斷芯）造成鑄件壁厚不均勻、形狀尺寸不符合要求。對(duì)于氣密性要求高的鑄件，盡可能避免用砂芯撐來固定砂芯。

砂芯設(shè)計(jì)時(shí)考慮組芯或下芯時(shí)如何定位和固定非常重要。

1.1水套芯

水套芯在氣缸體的前后端都有工藝孔，這些孔主要用于在組芯時(shí)水套芯的定位和固定，另外一個(gè)作用是用于清理時(shí)方便內(nèi)腔出砂。

圖1和圖2中的①表示了P12氣缸體水套芯一端工藝孔的位置和數(shù)量，每端1個(gè)。由這個(gè)鑄出孔連接定位芯頭②，如果沒有這個(gè)工藝孔就不會(huì)有定位芯頭，水套芯就沒法固定在芯組當(dāng)中。

圖1　P12氣缸體水套芯組芯示意圖

由于鑄出孔兩端僅一個(gè)，出砂效果不佳，另一個(gè)問題是與芯頭連接處的砂芯容易斷裂，給芯子的生產(chǎn)、儲(chǔ)存和運(yùn)輸帶來麻煩。為解決定位芯頭斷裂問題，只好在水套芯本體和芯頭之間加上一條連接砂柱，起加強(qiáng)作用，在最終組芯時(shí)由人工清理掉，見圖3所示。

P10氣缸體水套芯兩端工藝孔有兩處，見圖4所示。它的出砂和定位效果要比P12氣缸體好。

1.2回水道芯、水腔通道芯和進(jìn)水道芯

圖5表示了P12氣缸體回水道芯、水腔通道芯和進(jìn)水道芯的工藝孔，分別見①②③所示，這些工藝孔起到兩個(gè)作用，一是砂芯在型腔中的定位，二是作為出砂孔方便在清理時(shí)清理干凈內(nèi)腔的芯砂。

這里重點(diǎn)討論一下回水道芯的設(shè)計(jì)。它的設(shè)計(jì)考慮了在型腔中的定位，對(duì)砂芯在型腔中的固定考慮欠妥，給鑄造工藝帶來難度，同時(shí)增加了生產(chǎn)成本。圖6所示，①用于砂芯在型腔中下芯定位，②用于回水道芯在型腔中的固定，③串水孔。

顯而易見，這顆砂芯僅靠固定一端無法克服鐵液澆注時(shí)產(chǎn)生的浮力，實(shí)際生產(chǎn)出現(xiàn)漂芯或斷芯鑄造缺陷。圖7所示，為解決上述缺陷，解決回水道芯在型腔中固定不牢的問題，需要延長串水孔作為芯頭③，芯頭底部加上兩顆支撐芯座①支撐這六個(gè)小芯頭。整體芯組下入型腔時(shí)，由枕頭芯②壓住這六個(gè)小芯頭，從而將回水道芯固定住，鐵液澆注時(shí)整個(gè)芯子不會(huì)因?yàn)殍F液浮力而產(chǎn)生位移。上述工藝措施加大了操作者的工作量，提高了生產(chǎn)成本。

1.3挺桿芯

氣缸體都有挺桿室，挺桿室由挺桿芯形成。挺桿芯的設(shè)計(jì)主要考慮：砂芯要有足夠的強(qiáng)度防止浸涂和澆注時(shí)變形；在主體芯組組裝時(shí)能夠定位和固定；留有足夠的出砂孔保證內(nèi)腔清理干凈。

圖2　P12氣缸體水套芯兩端工藝孔示意圖

圖3　P12氣缸體水套芯加強(qiáng)砂柱示意圖

圖4　P10氣缸體水套芯兩端工藝孔示意圖

P12氣缸體的進(jìn)水道和回水道均在氣缸體的左側(cè)面形成，見圖5所示，挺桿芯的定位、固定只能依靠圖8所示的形成挺桿孔的上下各12個(gè)芯頭。對(duì)于臥澆的氣缸體工藝，由于挺桿芯投影面積較大，澆注過程中砂芯受到較大的鐵液浮力。實(shí)際生產(chǎn)表明，由于形成挺桿孔砂芯的直徑小，挺桿芯澆注過程中出現(xiàn)漂斷芯鑄造缺陷。

為解決上述工藝問題，在整體芯組中形成挺桿芯和水套芯壁厚之間的空隙施放芯撐，共四處，見圖9所示。如果芯撐和鐵液不能很好的融合在一起，該工藝方式就會(huì)造成鑄件產(chǎn)生打壓漏氣。

P10氣缸體挺桿芯的設(shè)計(jì)較P12氣缸體工藝性好，見圖10所示。在水套芯上有四個(gè)工藝孔芯頭與挺桿芯配合在一起，在澆注過程中這四個(gè)工藝孔芯頭頂在挺桿芯上接受來自挺桿芯上的鐵液浮力，保證挺桿芯不會(huì)發(fā)生變形或斷芯。這種設(shè)計(jì)充分考慮了挺桿芯在組芯和澆注過程中砂芯的定位和固定。

圖5　P12氣缸體回水道芯等工藝孔示意圖

圖6　P12氣缸體回水道芯工藝孔示意圖

圖7　P12氣缸體回水道芯組芯示意圖

圖8　P12氣缸體挺桿芯組芯示意圖

圖9　P12氣缸體挺桿芯撐示意圖

2　砂芯的制芯工藝

氣缸體內(nèi)腔的設(shè)計(jì)一定要考慮形成內(nèi)腔砂芯的制芯工藝是否合理，不恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)會(huì)造成制芯工裝設(shè)計(jì)復(fù)雜、生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)成本高。內(nèi)腔的設(shè)計(jì)要同時(shí)考慮：①分型線位置；②開模斜度；③盡量避免倒拔結(jié)構(gòu)；④考慮頂芯和出芯是否方便和可靠。

2.1砂芯的頂芯

P12氣缸體水套芯設(shè)計(jì)分型線的位置和開模斜度，見圖11中的①②所示；但是砂芯的形狀設(shè)計(jì)沒有考慮砂芯在芯盒中的頂芯，見圖12中的①所示。由于頂芯面積太小，砂芯要從模腔中頂出非常困難，廢芯率高且效率低。實(shí)際生產(chǎn)中為解決上述問題將射砂孔加大，但射砂對(duì)模具損害大，砂芯取出后需要人工修芯。

與P10氣缸體水套芯相比，后者的砂芯結(jié)構(gòu)留有面積足夠大的頂芯位置，頂芯桿直徑大，砂芯很容易從模腔中頂出。見圖13所示，頂芯面積足夠大。

圖10　P12氣缸體挺桿芯組芯示意圖

圖11　P12氣缸體水套芯側(cè)面視圖

圖12　P12氣缸體水套芯底部正視圖

圖13　P10氣缸體水套芯底部正視圖

圖14　T項(xiàng)目氣缸體后端結(jié)構(gòu)示意圖

2.2避免倒拔

由于結(jié)構(gòu)功能要求，P7氣缸體后端齒輪室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造成后端芯開模出現(xiàn)倒拔，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免。在小批量樣試生產(chǎn)中，如果制芯使用手工芯盒，此處結(jié)構(gòu)可以使用活塊處理。如果是批量生產(chǎn)工藝，使用機(jī)器制芯，那么工裝的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)就會(huì)復(fù)雜化，需要在芯盒中設(shè)計(jì)氣缸抽拉活塊。活塊位置帶限位開關(guān)，與設(shè)備控制單元相連接，上下模開合前，氣缸接受指令抽拉活塊，活塊的位置由限位開關(guān)反饋到控制單元。

圖14表示了氣缸體后端結(jié)構(gòu)阻礙開模的位置①兩處；圖15表示了在工裝結(jié)構(gòu)中，為解決開模受阻問題加了對(duì)應(yīng)的兩個(gè)活塊，需要使用氣缸抽拉，增加了模具制作和維護(hù)成本。

3　砂芯的排氣和清砂

在鑄型澆注后，砂芯處于高溫液體金屬包圍之中，在其內(nèi)部要產(chǎn)生大量氣體，這些氣體必須通過芯頭迅速排出，否則會(huì)使鑄件產(chǎn)生氣孔等缺陷。在澆注后，砂芯還必須方便地從鑄件中清理出來。因此在設(shè)計(jì)鑄件內(nèi)腔結(jié)構(gòu)時(shí)，除考慮制芯工藝外，還必須考慮：①保證氣體從砂芯中排出；②方便、可靠地從內(nèi)腔中清理出芯砂。

砂芯中的氣體是通過芯頭被引出鑄型，因此芯頭的大小即鑄件壁上孔的大小必須與砂芯的體積即鑄件內(nèi)腔的體積相適應(yīng)，否則砂芯中氣體來不及排出。

3.1水套芯

圖16中①示意了P12氣缸體水套芯的6個(gè)工藝孔，它們的作用是排氣和清砂，另外是防止砂芯在澆注過程中砂芯的向上移動(dòng)即漂芯。P12氣缸體水套芯的出砂孔以上述的6個(gè)工藝孔為主，另外氣缸體兩端各1個(gè)工藝孔②、頂面24個(gè)小串水孔③也起到輔助出砂的作用。與P10氣缸體水套芯相比，后者在氣缸體的右側(cè)面又加了4個(gè)工藝孔用于砂芯的固定和出砂，效果比P12氣缸體要好，見圖17所示。

3.2挺桿芯

P12氣缸體挺桿芯的出砂孔見圖18中①②所示。這些孔是柴油機(jī)功能設(shè)計(jì)必需有的孔，它同時(shí)滿足了挺桿芯鑄造后清砂的要求。由于①所示的孔毛坯出砂面積小，效果不好。實(shí)際生產(chǎn)確實(shí)存在內(nèi)腔清理不干凈的情況。P10氣缸體挺桿芯的出砂孔見圖19中的①②③所示。①所示的孔毛坯出砂面積大，效果好。另外它比P12挺桿芯多了③所示工藝孔，這些工藝孔的作用有兩個(gè)，一是方便挺桿芯出砂，二是在澆注過程中起一定的支撐作用。

圖15　T項(xiàng)目氣缸體后端芯盒結(jié)構(gòu)示意圖

圖16　P12氣缸體水套芯工藝孔示意圖

圖17　P10氣缸體水套芯出砂孔示意圖

圖18　P12氣缸體挺桿芯出砂孔示意圖

圖19　P10氣缸體挺桿芯出砂孔示意圖

4　毛坯的清理

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)除充分考慮以上要素外，還要注意鑄件毛坯的清理需要，保證方便可靠地把砂芯與砂芯之間的劈縫、毛刺清理干凈。

圖20中①示意了P12氣缸體水套芯與水腔通道芯的分芯面位置，在這個(gè)位置毛坯要形成劈縫。由于水腔通道芯與水套芯連接的通道走勢過于陡峭，毛坯在分芯面形成的劈縫在清理時(shí)看不到，清理非常困難。實(shí)際生產(chǎn)中，為清理這些劈縫制作了專用工具，毛坯檢查時(shí)用到內(nèi)窺鏡。為解決清理劈縫困難的問題，在氣缸體毛坯的批量生產(chǎn)工藝中，在此分芯面位置加上了石棉墊來防止此處形成劈縫。但這樣做增加了操作工序和物料消耗，增加了毛坯的成本。

圖21中①示意了T項(xiàng)目氣缸體水道芯與水套芯的分芯面位置，在這個(gè)位置毛坯要形成劈縫。但是這個(gè)劈縫藏在鑄件內(nèi)部，無法清理。為解決此問題，在劈縫形成位置的對(duì)面需要設(shè)計(jì)工藝孔②，這個(gè)工藝孔的作用就是為了清理澆注后形成的鑄件劈縫。

5　結(jié)論

產(chǎn)品的設(shè)計(jì)在保證柴油機(jī)功能性的前提下，應(yīng)充分考慮結(jié)構(gòu)的鑄造工藝性。氣缸體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的基本的鑄造工藝要素包括：①外形的脫模是否滿足造型工藝的要求；②內(nèi)腔砂芯的分模是否滿足制芯工藝的要求；③砂芯有無定位或固定工藝孔，位置是否合理；④砂芯出砂孔、排氣孔的工藝性；⑤毛坯清理孔的工藝性。

在滿足基本的鑄造工藝性的前提下，才能保證氣缸體毛坯的生產(chǎn)工藝流程簡單可靠，鑄件質(zhì)量穩(wěn)定、成本低。

圖20　水套芯與水腔通道芯分芯示意圖

圖21　T項(xiàng)目氣缸體水套芯與水道芯分芯示意圖

［1］ 臧加倫，齊建，劉云云.V型柴油機(jī)氣缸體鑄造工藝設(shè)計(jì)［J］.中國鑄造裝備與技術(shù)，2014（2）.

［2］ 劉佑平.灰鐵冶金質(zhì)量對(duì)柴油機(jī)氣缸體縮孔缺陷的影響［J］.中國鑄造裝備與技術(shù)，2002（5）.

Structure Analysis of the Diesel Engine Cylinder Blocks upon the Casting Process

ZANG JiaLun， LIU QingYi
（Weichai Power Corp. Ltd， Weifang 261001， Shandong， China）

This article analyses deeply the structure of cylinder blocks of our company from the point of the casting process. The casting process character of the cylinder block structure infl uences greatly the mechanical property， the casting cost and the production process fl ow of the blank.

Casting； Structure；Process character

TG242.7;

A；

1006－9658（2015）02-0013-06

10.3969/j.issn.1006—9658.2015.02.005

2014-11-24

稿件編號(hào)：1411-716

臧加倫（1965—），男，高工，從事柴油機(jī)機(jī)體缸蓋的鑄造工藝開發(fā)工作.