盧亭玉，劉文川(.南充職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川南充 63700；.西南內(nèi)燃機(jī)配件總廠，四川南充 63700)

鑄鐵氣缸體中小型鑄造車(chē)間的設(shè)計(jì)

盧亭玉1，劉文川2
(1.南充職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川南充 637100；2.西南內(nèi)燃機(jī)配件總廠，四川南充 637100)

簡(jiǎn)述了鑄鐵氣缸體類(lèi)鑄件鑄造生產(chǎn)的特點(diǎn)，對(duì)中小型生產(chǎn)規(guī)模及中等批量鑄造生產(chǎn)鑄鐵氣缸體的工藝流程、車(chē)間平面設(shè)計(jì)、砂處理單元、主設(shè)備—造型機(jī)（方式）選用、制芯工藝及制芯機(jī)的確定及選用，及鐵液熔煉等方面作了較詳細(xì)的闡述。以及引入了人體工效學(xué)、黃金分割原理等理念來(lái)指導(dǎo)鑄鐵氣缸體鑄造車(chē)間及其重要工裝的設(shè)計(jì)，使其達(dá)到了既適（實(shí)）用又經(jīng)濟(jì)的效果。

氣缸體；鑄造車(chē)間；設(shè)備；工藝；工裝

0　前言

鑄鐵氣缸體，目前仍是國(guó)內(nèi)及世界車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體的大份額鑄件，也是目前世界鑄造量最大的一類(lèi)鑄件。故其當(dāng)今仍是鑄造行業(yè)工作者研究的重要課題之一，這類(lèi)鑄件鑄造生產(chǎn)的特點(diǎn)是：多芯薄壁，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；鑄件合格率偏低，鑄造生產(chǎn)難度大；生產(chǎn)工序多，技術(shù)含量高；生產(chǎn)投入多，周期長(zhǎng)等。鑄鐵氣缸體鑄造車(chē)間建設(shè)的特點(diǎn):涉及面廣、設(shè)備多、層次高；技術(shù)要求高、面寬；資金投入多、建廠周期長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)外建設(shè)鑄鐵氣缸體鑄造車(chē)間時(shí)?？梢?jiàn)其大型及大批量鑄造生產(chǎn)車(chē)間的資料介紹［1-3］，中小型生產(chǎn)規(guī)模及中等批量鑄造生產(chǎn)鑄鐵氣缸體雖已有較多工廠，但其建廠的資料介紹極為鮮見(jiàn)。根據(jù)我們所了解、掌握的情況看，這些工廠大多數(shù)沿用了較多的傳統(tǒng)工藝方法或設(shè)備，以及某些不夠合理的工藝方案，而使氣缸體類(lèi)鑄件合格率偏低、產(chǎn)品質(zhì)量較差，甚至出現(xiàn)較難正常生產(chǎn)等不良狀況。

鑒于此，我們根據(jù)多年來(lái)對(duì)該類(lèi)氣缸體在鑄造生產(chǎn)實(shí)踐中獲得的較多經(jīng)驗(yàn)，成功為華北某汽配公司設(shè)計(jì)建造了一個(gè)中等批量濕型粘土砂型生產(chǎn)鑄鐵氣缸體的鑄造車(chē)間，現(xiàn)將其成功經(jīng)驗(yàn)的主要方面作簡(jiǎn)要總結(jié)以供同行參考。

1　鑄鐵氣缸體鑄造生產(chǎn)工藝流程特點(diǎn)

鑄造車(chē)間的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)其主要鑄件鑄造生產(chǎn)工藝流程及其工序來(lái)合理布置車(chē)間和設(shè)備選型，其鑄鐵氣缸體鑄造生產(chǎn)主要工藝流程見(jiàn)圖1。由圖可知，鑄鐵氣缸體鑄造生產(chǎn)周期較長(zhǎng)、工序復(fù)雜，一般要經(jīng)歷眾多工序，合理設(shè)置其鑄造過(guò)程中各項(xiàng)工藝是決定鑄件合格率高與低、產(chǎn)品質(zhì)量好與差的關(guān)鍵因素，鑄鐵氣缸體鑄造生產(chǎn)的重要工藝有以下幾個(gè)方面：

圖1　鑄鐵氣缸體鑄造生產(chǎn)主要工藝流程簡(jiǎn)圖

（1）造型工藝

目前世界各地鑄造生產(chǎn)鑄鐵氣缸體的造型工藝多種多樣，其多品種中小批量生產(chǎn)方式有采用樹(shù)脂自硬砂鑄造，其濕型粘土砂鑄造則是從原始的手工造型（組芯造型）到現(xiàn)代化的氣沖造型及靜壓造型，合理選擇適宜的造型工藝是其鑄造車(chē)間設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容之一。

（2）制芯工藝

目前世界各地鑄造生產(chǎn)鑄鐵氣缸體的制芯工藝也多種多樣，從原始的手工制芯到現(xiàn)代化的熱芯盒制芯及冷芯盒制芯都存在于現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)之中，合理選擇適宜的制芯工藝亦是其鑄造車(chē)間設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容之一。

（3）熔煉工藝

目前世界各地鑄造生產(chǎn)鑄鐵氣缸體的鐵液熔煉工藝也是多種多樣，從單煉的沖天爐到單煉的電爐，及沖天爐與電爐的雙聯(lián)熔煉都存在于現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)之中，合理選擇適宜的鐵液熔煉工藝同是其良好經(jīng)濟(jì)性和鑄造車(chē)間設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容之一。

2　鑄鐵氣缸體鑄造車(chē)間設(shè)計(jì)

2.1車(chē)間平面設(shè)計(jì)

根據(jù)其鑄鐵氣缸體鑄造生產(chǎn)工藝流程及其工序合理布置，以及引入了人體工效學(xué)、美學(xué)、黃金分割原理等理念［4］來(lái)指導(dǎo)鑄鐵氣缸體鑄造車(chē)間的設(shè)計(jì)、設(shè)備選型及其工裝設(shè)計(jì)等。我們?yōu)槿A北某公司設(shè)計(jì)的生產(chǎn)鑄鐵氣缸體的鑄造車(chē)間平面布置（設(shè)計(jì)）圖如圖2所示。

氣缸體鑄造生產(chǎn)不僅工序多、復(fù)雜，而且其車(chē)間建設(shè)投資大、周期長(zhǎng)，其鑄造車(chē)間平面布置（設(shè)計(jì)）合理與否也更是決定鑄件生產(chǎn)率高與低及鑄件合格率高與低的重要因素。鑄鐵氣缸體鑄造車(chē)間平面布置（設(shè)計(jì)）的主要特點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：

（1）造型機(jī)置于車(chē)間中部

造型機(jī)置于車(chē)間中部，一是便于空砂箱的放置，以利于造型工作的方便、高效；二是便于造型好后的砂型（實(shí)型砂箱）轉(zhuǎn)運(yùn)方便、快捷，以利其工效的提高。

（2）沖天爐置于車(chē)間外緣中部

沖天爐置于車(chē)間外緣中部，一是便于金屬爐料及焦炭等的放置，以利鐵液熔煉工作的方便；二是便于鐵液出爐后（鐵液包）轉(zhuǎn)運(yùn)方便、快捷，提高效率。

（3）砂處理單元置于車(chē)間東部

砂處理單元置于車(chē)間東部，一是便于舊砂與適量廢砂的放置，以使其盡可能少地占用車(chē)間有效面積；二是便于砂處理單元的集中除塵（再生）處理。

（4）車(chē)間中部置地軌轉(zhuǎn)運(yùn)小車(chē)

在兩跨車(chē)間中部置地軌轉(zhuǎn)運(yùn)小車(chē)，一是便于兩跨車(chē)間之間的砂型、砂芯、砂箱及舊砂等物質(zhì)和物料轉(zhuǎn)換；二是便于鐵液出爐后（鐵液包）轉(zhuǎn)運(yùn)方便、快捷，以盡可能少的時(shí)間將鐵液運(yùn)至鐵液所需位置。

2.2砂處理工部

（1）混砂機(jī)的確定

按原兩天（每爐）鑄造生產(chǎn)80～100 臺(tái)（件）六缸氣缸體設(shè)計(jì)要求，我們比較分析后選用了混制型砂量20 t/h的S1120C碾輪式混砂機(jī)，該混砂機(jī)的型砂混制生產(chǎn)效率也可滿足其六缸氣缸體單日鑄造生產(chǎn)80～100 臺(tái)（件）/爐（擴(kuò)量生產(chǎn)）要求。

（2）儲(chǔ)砂斗容量的確定

在該鑄造車(chē)間設(shè)計(jì)之初，企業(yè)原始意圖是兩天（每爐）鑄造生產(chǎn)80～100 臺(tái)（件）六缸氣缸體的設(shè)計(jì)要求，在結(jié)合我們長(zhǎng)期從事車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體鑄造生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為鑄鐵氣缸體的鑄造生產(chǎn)在當(dāng)今世界已通常屬于批量生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型鑄件，再根據(jù)企業(yè)和社會(huì)的發(fā)展需求，至少應(yīng)在砂處理單元（工部）能力上按滿足其六缸氣缸體單日鑄造生產(chǎn)80～100 臺(tái)（件）/爐（擴(kuò)量生產(chǎn)）要求。因此，我們對(duì)砂處理單元中儲(chǔ)砂斗容量確定為80 t的舊砂料斗。

（3）砂處理的二級(jí)磁選

濕型粘土砂型鑄造鑄鐵氣缸體生產(chǎn)，其型砂用量通常較多，故一方面舊砂的回用處理量較大，另一方面舊砂的回用處理質(zhì)量也較為重要。因此，我們?cè)谏疤幚韱卧袑?duì)舊砂的磁選采用了滾筒磁選加懸掛磁選的二級(jí)磁選結(jié)構(gòu)和方式，使其充分選盡舊砂中的（鑄）鐵丸渣，以確保濕型粘土砂型砂的質(zhì)量。

2.3造型工部

（1）生產(chǎn)率的確定

鑄鐵氣缸體中小型鑄造車(chē)間設(shè)計(jì)之初，企業(yè)要求是兩天（每爐）鑄造生產(chǎn)80～100 臺(tái)（件）六缸氣缸體，按此要求我們確定的造型生產(chǎn)率為25 型/h的雙工位濕型粘土砂造型機(jī)一臺(tái)，在一個(gè)班次內(nèi)便可較順利地完成其造型（工序）任務(wù)。

（2）造型機(jī)的選定

在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)之中，濕型粘土砂鑄造鑄鐵氣缸體類(lèi)鑄件從原始的手工造型、振動(dòng)加風(fēng)動(dòng)錘造型、振動(dòng)壓實(shí)造型、中壓微震壓實(shí)造型、高壓造型、氣沖造型到現(xiàn)代化的氣流預(yù)緊實(shí)靜壓造型都“并列”存在著。根據(jù)我們長(zhǎng)期從事車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體鑄造生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)與研究認(rèn)為：對(duì)于氣缸體類(lèi)“重要”復(fù)雜薄壁鑄鐵件來(lái)說(shuō)，氣流預(yù)緊實(shí)靜壓造型的“型面”高緊實(shí)度、高硬度加“背面”次緊實(shí)度、次硬度的工藝特點(diǎn)，最為適宜其鑄件表面高質(zhì)量及濕砂型排氣性要求高等鑄造工藝技術(shù)要求。

由此，我們選用了國(guó)內(nèi)某鑄機(jī)公司生產(chǎn)的ZB3115氣流預(yù)緊實(shí)多觸頭靜壓造型機(jī)，該機(jī)的主要特點(diǎn)與性能指標(biāo)：砂型硬度—平面硬度≥90 HRC，垂直硬度（砂型側(cè)邊硬度）≥87 HRC；最大起模行程為300 mm+80 mm；預(yù)緊實(shí)工作壓力0.35～0.5 MPa；靜壓工作壓力（邏輯動(dòng)作工作壓力）3～5 MPa。

2.4制芯工部

對(duì)于四至六缸鑄鐵氣缸體的砂型鑄造來(lái)說(shuō)，其砂芯的種類(lèi)多、數(shù)量多，砂芯結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜，尤其是對(duì)于干式水套氣缸體來(lái)說(shuō)則更是如此［5，6］。在此，我們主要闡述其數(shù)量多的曲軸箱砂芯和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的水套砂芯或凸輪室砂芯的制芯工藝及其制芯設(shè)備（機(jī)）確定及其選用等的主要方面。

（1）制芯工藝的確定

圖2所示鑄鐵氣缸體鑄造車(chē)間，企業(yè)原始設(shè)計(jì)要求（意圖）：曲軸箱砂芯采用樹(shù)脂自硬砂手工制芯或采用資料［7］介紹的簡(jiǎn)易機(jī)械加手工的制芯方式，水套砂芯或凸輪室砂芯亦采用樹(shù)脂自硬砂手工制芯的制芯工藝。在經(jīng)過(guò)我們多次分析和研究后認(rèn)為其手工制芯存在著不足：生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)力成本便高；砂芯表面質(zhì)量低，鑄件表面質(zhì)量便低；砂芯精度低，鑄件質(zhì)量及合格率便低。由此，其鑄件鑄造生產(chǎn)成本反而（極可能）變高等不良技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性便會(huì)凸顯。

鑒于上述原因，我們主張及確定了曲軸箱砂芯、前后端面砂芯、凸輪室砂芯、水套砂芯等主要砂芯均采用熱覆膜砂熱芯盒機(jī)器制芯工藝，以確保氣缸體鑄件的表面質(zhì)量（內(nèi)/外）、尺寸精度和其較高的鑄件合格率，以使其既能很好地滿足現(xiàn)在的市場(chǎng)需求，又能確保鑄件的穩(wěn)定生產(chǎn)和適宜的鑄造生產(chǎn)成本。同時(shí)，為了降低成本，靈活應(yīng)對(duì)一些不重要的小砂芯的制作，對(duì)這些小砂芯則采用了樹(shù)脂自硬砂（手工）制芯工藝。

（2）制芯機(jī)的選用

（a）曲軸箱砂芯制芯機(jī)

對(duì)于曲軸箱砂芯，我們選用的是國(guó)內(nèi)某鑄機(jī)廠生產(chǎn)的Z9406熱芯盒制芯機(jī)，該機(jī)的主要特點(diǎn)：在垂直分盒方式下實(shí)現(xiàn)一盒兩芯制作，在下盒體上作出大尺寸抽芯塊（棒），可實(shí)現(xiàn)制作出主要壁厚13～16 mm的中空“殼芯”；該制芯機(jī)還有價(jià)格低、制芯效果較好等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于投資不太高的鑄造車(chē)間來(lái)說(shuō)是一個(gè)較理想的子項(xiàng)目車(chē)間設(shè)計(jì)選擇。

（b）水套砂芯制芯機(jī)

對(duì)于水套砂芯或凸輪室砂芯，我們選用的是Z8040熱芯盒制芯機(jī)，該機(jī)的主要特點(diǎn)是：在水平分盒方式下可實(shí)現(xiàn)六缸氣缸體凸輪室砂芯一盒兩芯制作，水套砂芯一盒兩芯制作或一盒一芯制作；該制芯機(jī)亦有價(jià)格較低、制芯效果較好等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于投資不太高鑄造車(chē)間來(lái)說(shuō)也是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

2.5鐵液熔煉工部

鑄造車(chē)間主要鑄造生產(chǎn)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為四至六缸系列鑄鐵氣缸體，產(chǎn)品以汽車(chē)維修市場(chǎng)為主，及多品種中小批量的生產(chǎn)方式。為確保氣缸體類(lèi)復(fù)雜薄壁鑄鐵件的正常生產(chǎn)，成分合格的高溫鐵液是其必須保證的最為重要的基礎(chǔ)條件，再結(jié)合我們長(zhǎng)期在沖天爐熔煉鐵液方式下從事車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體鑄造生產(chǎn)的成功經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)認(rèn)為選用國(guó)內(nèi)高溫（節(jié)能）型沖天爐便可較好地滿足該系列產(chǎn)品的技術(shù)要求。

在圖2所示鑄鐵氣缸體鑄造車(chē)間，我們選用的鐵液熔煉設(shè)備是QSF-N疊加式熱風(fēng)沖天爐，該設(shè)備的主要性能特點(diǎn)與技術(shù)指標(biāo)如下：熱風(fēng)溫度＞450 ℃，爐膽壽命＞5 500 h，層焦比1∶（8～10），出鐵溫度≥1 450 ℃。

3　結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹鑄鐵氣缸體鑄造車(chē)間設(shè)計(jì)，通過(guò)上述設(shè)計(jì)及制作出的鑄鐵氣缸體鑄件產(chǎn)品，獲得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，得到了公司的良好評(píng)價(jià)，產(chǎn)品也得到了經(jīng)銷(xiāo)商的一致贊同。此外，本文所介紹的相關(guān)優(yōu)化設(shè)計(jì)理念，也可適用于其它相似鑄造車(chē)間的設(shè)計(jì)參考。

［1］ 薛萬(wàn)龍.年產(chǎn)40000臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體鑄件的樹(shù)脂砂鑄造車(chē)間清理工部的設(shè)［J］.中國(guó)鑄造裝備與技術(shù)，2005（3）：62-65.

［2］ 張伯明，胡家驄，關(guān)洪國(guó)，等.缸體和缸蓋的鑄造［J］.現(xiàn)代鑄鐵，1998（3）：22-24.

［3］ 楊濤林.某發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋鑄造項(xiàng)目施工總承包安全管理［J］.中國(guó)鑄造裝備與技術(shù)，2013（5）：46-49.

［4］ 劉文川，王正端.美學(xué)及人類(lèi)工效學(xué)在鑄造設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［A］.2005年中國(guó)鑄造活動(dòng)周學(xué)術(shù)年論文（集），沈陽(yáng)：2005.

［5］ 劉文川，向敬成.濕式缸套氣缸體砂型鑄造砂芯的優(yōu)化設(shè)計(jì)［A］.2001中國(guó)鑄造活動(dòng)周論文集，沈陽(yáng)：2001.

［6］ 劉文川，王興平，譚勇，等.干式缸套氣缸體水套砂芯熱芯盒的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)鑄造裝備與技術(shù)，2005（1）：41-43.

［7］ 劉文川，王正端，范仲根，等.曲軸箱砂芯手工制芯用取芯機(jī)械的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)鑄造裝備與技術(shù)，2006（4）：55-57.

The Design of Small and medium-sized Foundry of Cast Iron Cylinder Body

LU TingYu1， LIU WenChuan2
（1.Nanchong Professional Technic College，Nanchong 637100，Sichuan，China ；2.Southwest Internal Combustion Engine Accessories Main Workshop， Nanchong 637100， Sichuan，China）

This paper is to sketch the character of production of cast iron cylinder block castings， elaborate the technological process of middle and small production scale and medium volume production of cast iron cylinder block casting， graphic design of workshop， sand processing unit， selecting of primary equipment- molding machine （mode） and core technology and core making machine， the iron melting， etc. And also introduce human engineering， the golden section theory in the designation of foundry and its important tooling cast iron cylinder so as to be practical and economical.

Cylinder block； Casting workshop； Equipment； Technology； Tooling

TG28;

A；

1006－9658（2015）02-0061-04

10.3969/j.issn.1006—9658.2015.02.017

2014-11-03

稿件編號(hào)：1411-703

盧亭玉（1975—），女，講師，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與制造教學(xué)工作.