氣缸體水套砂芯熱芯盒的優化設計

劉文川，何 桂

（1.西南內燃機配件總廠，四川南充市 637100；2.四川自貢職業技術學校，四川自貢市 643000）

氣缸體水套砂芯熱芯盒的優化設計

劉文川1，何 桂2

（1.西南內燃機配件總廠，四川南充市 637100；2.四川自貢職業技術學校，四川自貢市 643000）

簡單介紹和評述了GSR2射芯機制作氣缸體水套熱芯盒的分盒面、芯盒本體、左右側開盒機構、第五開盒機構、下頂芯板導向桿、左右盒體機械式鎖緊機構、熱覆膜砂擋砂帽等結構及其附件的傳統結構形式或設備使用說明書推介的形式（及其安裝結構）存在的不足，針對其不足提出了利用人體工效學、績效理論、黃金分割原理等對其進行優化設計的方法或評述了其優先選用的結構形式。

制芯機；氣缸體；水套砂芯；熱芯盒；優化設計

車用發動機氣缸體是復雜薄壁鑄件的典型代表，其鑄造技術復雜、難度高是民用機械產品中首席典型件，而其干式缸套氣缸體水套砂芯（以下簡稱水套砂芯）的制作工藝則又是其鑄造生產中難點之一，故其水套砂芯熱芯盒的設計則便是鑄造工作者長期研究（優化）的恒久型課題，無論是其對鑄件本身質量及合格率的提高，還是市場的需求，都要求其必須與時俱進。

對于氣缸體水套砂芯的制作工藝及其熱芯盒的設計，目前雖也有一些資料[1～5]對其進行研究，但因其一方面研究對象不同，另一方面，根據筆者近幾年來對國內較多的相關鑄造廠（以下簡稱工廠）及專業模具制作公司（以下簡稱公司）的考查了解和研究，發現一些相關熱芯盒的設計尚有較多不盡合理之處。故在此，筆者根據近幾年來應用人體工效學、績效理論、黃金分割原理等的研究，探索出的一些心得，針對目前國內應用已較為普遍的GSR2制芯機制作水套砂芯熱芯盒可作優化設計方面作一專題研究和討論，旨在為該類重要鑄造工裝的規范化和優化設計積累一點資料供同行參考。

1 分盒面的優選

水套砂芯熱芯盒分盒面的設計（或選擇）在各個工廠或公司可謂多種多樣各具特點。從二開盒到六開盒都有應用的多種實例；以及在同樣數量開盒面的情況下，還有分盒面位置不同使其熱芯盒制作砂芯的工藝效果也大不同的生產實例[5]。對于水套砂芯來說，分盒面及其數量的優化設計原則應是：保證獲得射砂緊實度高，表面光潔的完整砂芯為首要條件，其次應是熱芯盒制芯效率及成品率高，以及熱芯盒制作和維護工作簡便為必要條件。

根據上述原則，通常情況下，水套砂芯的分盒面的分盒面數量應是四開盒方案優于兩開盒方案。而對于一些結構復雜的氣缸體水套砂芯來說，則還需要五開盒，乃至六開盒則更為優化或更為適宜。

對于四開盒方案來說，其上、下分盒面的優化設計原則應是：上分盒面應盡可能接近于砂芯的最高處，而下分盒面則相應盡可能接近于砂芯的最低處。而通常情況下便是上、下分盒面分別設計在砂芯上、下圓角的頂點處；這樣既能使熱芯盒具有良好的溢氣性能（以便獲得致密度高的砂芯），又能圓滿制作出砂芯上、下圓弧的結構要求。

依據上述分盒面的優化原則，對于K385氣缸體水套砂芯，我們設計出了圖1所示的五開盒方案。其結構特點主要有：①砂芯采用五開盒方案形成；②上、下開盒面分別在砂芯上、下圓角頂點處，即上、下盒體的盒腔深度作到盡可能地淺，其砂芯主體部分盡可能在側開盒上形成；③左、右盒體及其開盒機構等的優化設計；④側開盒上的通氣針安裝結構利于盒腔排氣；⑤相關附件的優化設計。

2 芯盒本體

對于芯盒本體的設計制作，筆者曾親眼目睹了兩個不成功的典例：其一為6R氣缸蓋水套芯熱芯盒；其二為6R氣缸體水套芯熱芯盒。前者主要因結構厚薄不合理且加熱管布置不當以及本體未加工毛面與加工面的應力不平衡等因素而致使芯盒本體變形量過大，不能正常制作相應砂芯而報廢；后者主要因為其左、右盒體結構尺寸設計過小（左、右盒體本體厚度尺寸僅70～80mm），其盒體的高度也未優化到其砂芯尺寸的上、下極限的合理值，以及其它一些不合理因素，而致使該水套芯熱芯盒，多次往返于用戶與供應商之間的不良狀況。

對于在GSR2上制作氣缸體水套砂芯的四開盒熱芯盒，其芯盒本體的優化設計技術關鍵主要體現在其左、右盒體上。其優化設計原則雖尚未有定量的研究成果，但優化設計的定性原則大致可歸納以下三條：其一，結構及分盒面應盡可能簡化；其二，砂芯高度結構應盡可能多地用左、右盒體形成；其三，左、右盒體的結構尺寸既應有適宜大小尺寸的高度，又應有適宜大小尺寸的厚度。

而對于芯盒本體適宜大小尺寸的優化設計，其可遵循的原則應是：既要保證芯盒本體有適宜的“蓄熱”量、適宜的剛性——即盡可能少的變形量；又要保證芯盒本體不能過重，而增加不必要的電（動）能消耗。

依照上述原則，設計出圖1所示之K385氣缸體水套砂芯熱芯盒本體其幾個主要參數為：下盒體厚度為90mm，上盒體為70mm，左、右盒體厚度（輪廓）尺寸為 170～180mm。

為了能使水套砂芯熱芯盒左右本體達到既有適宜厚度尺

寸（及合理設置加熱管），保證芯盒本體有適宜“蓄熱”量、適宜的剛性的要求，筆者還曾成功設計出了圖2所示一個轎車用發動機四缸氣缸體水套砂芯熱芯盒。圖2所示熱芯盒之左右盒體的突出特點是：超長設計制作出了左右盒體（件號2、4）的高度。

圖1 GSR制芯機制作K385氣缸體水套砂芯的五開盒熱芯盒方案示意圖

圖3 GSR2制芯機制作氣缸體水套芯四開盒熱芯盒的兩種側開盒機構

圖2 某四缸氣缸體水套砂芯的四開盒熱芯盒簡圖

3 左、右開盒機構

對于GSR2制芯機制作水套砂芯的四開盒熱芯盒，其左、右開盒機構在較多的工廠或公司的相應設計中尚有一些零件可進行優化設計。如圖3（a）所示的結構便是華北某大型鑄造廠所用的相應的熱芯盒左、右盒體的開盒機構，其主要不足表現在側開拉桿、側開連接板和側開支撐板三個主要零件上。

針對圖3（a）所示的三個主要零件存在的不足，筆者作出了圖3（b）所示相應機構的優化設計。圖3（b）中的三個主要件比之于圖3（a）中的相應零件的優化設計分別表現在以下方面。

3.1 側開拉桿

側開拉桿（亦稱側開導向桿），在圖3（b）中所表現出的優點主要在拉桿與側開連接板關系由圖3（a）的外螺紋優化為圖3（b）中的內螺紋結構，由此，后者比之于前者即減少了材料用量，又在安裝后的整體外觀上較為美觀，以及安裝和維護時操作更為簡便、快捷。

3.2 側開連接板

圖3（b）所示的側開連接板因其相應的側開拉桿端頭采用的內螺紋結構，而使得其連接板的相應螺釘（通常用高強度內六角螺釘）孔比之于圖3（a）相應螺母孔小了成倍的空洞容積，故而圖3（b）所示的連接板比之于圖3（a）所示的連接板結構強度得到了提高，可延長零件的使用壽命，同時，還可適當減少該零件的加工切屑量即工時量。

3.3 側開支撐板

圖3（a）所示的側開支撐板的結構特點是，同側所用的兩個側開拉桿分別各用一個“獨立的”支撐板；而圖3（b）所示的側開支撐板則是同側所用的兩個側拉桿共用一個“連體”的支撐板。故而后者比之于前者具有制作（尤其在安裝時）拉桿孔的精度高，側開機構運動靈活等優點。

4 側開盒體上通氣針的安裝結構

在水套砂芯四開盒的側開盒體的一些形成出砂孔等結構的厚大砂芯位置處，工藝要求通常要做出排氣（針）通道。其通氣針的安裝結構許多工廠普遍采用圖4（a）所示的尾端外螺紋的傳統結構。這種結構雖有通氣針用材少、制作簡便的優點，但此種結構的小零件比之于圖4（b）所示的相應結構則有：對側開盒體上的“深孔結構”盒腔難于排氣以及通氣針的外螺紋結構易損傷芯盒本體的嚴重不足之處。故而圖4（a）所示的通氣針安裝結構雖有“傳統”優勢，但又確是非優化設計結構。

圖4 側開盒通氣針的兩種不同安裝結構

針對于圖4（a）所示的通氣針安裝端外螺紋傳統結構存在的嚴重不足，筆者設計出了圖4（b）、（及圖2中的件3）所示的通氣針安裝端法蘭盤的優化結構。圖4（b）的結構特點主要為：其一，法蘭盤式的安裝結構要求貫穿相應“深孔”處的側開盒體，由此，有利于盒腔相應處的排氣，對提高相應處的砂芯緊實度和表面質量極為有利，免去了再設置排氣塞類的復雜結構制作；其二，法蘭盤式通氣針的安裝結構安裝簡便，比之于相應傳統的圖4（a）相應外螺紋安裝結構具有安裝簡便，可靠性更高的優點，這主要由于圖4（b）安裝時的操作位置由圖4（a）的在盒體內腔改在了盒體外部等原因；其三，提高了盒體的使用壽命，圖4（b）的結構其法蘭盤的安裝結構具有不損傷盒體的優點，不僅減少了盒體及通氣針的維護工作量，而且也相應在一定程度上提高了盒體的使用壽命。

由此可見，在多開盒熱芯盒的側開盒上須設置通氣針時，只要結構允許（或創造條件）其通氣針的安裝結構則應優先選用圖4（b）的法蘭盤式結構。這對于相應冷芯盒類結構更據有可普遍優先使用的借鑒價值。

5 第五開盒機構

關于熱芯盒第五開盒機構設計的資料研究極為鮮見，而在GSR2制芯機上設備通常亦未帶有第五開盒動力（氣缸）。根據筆者的多年生產實踐和設計經驗總結認為，第五開盒機構的優化設計主要應遵循如下原則：其一，動力氣缸須設置在側開盒體的重心上，以便氣缸動力作用的有效發揮；其二，側開盒體應有合理的導向機構；其三，開盒氣缸與模塊的聯接應盡可能簡便可靠。

根據上述原則，我們設計制作的K385氣缸體的第五開盒機構如圖5所示。其主要結構和特點表現在以下兩個方面。

5.1 導向機構

圖5所示的GSR2制芯機制作K385氣缸體水套芯第五開盒機構的導向機構為梯形鍵及梯形鍵槽結構,其與相應開盒氣缸（軸）形成一對配合協調的開盒機構，能有效地滿足該砂芯的第五開盒工藝要求。

5.2 開盒氣缸與模塊的聯接

圖5所示的K385氣缸體水套芯熱芯盒第五開盒（動力）氣缸與相應盒體的聯接，采用的是圓盤形內螺紋結構的聯接塊，其主要特點有：其一，簡單的迴轉體式結構，制作方便、可靠且成本低；其二，安裝及其維護亦簡便、快捷。

圖5 GSR2制芯機制作K385氣缸體水套芯熱芯盒第五開盒機構示意圖

5.3 氣缸支架

圖5所示的氣缸支架選用45鋼精工制作，不僅能有效、可靠地起到第五開盒氣缸的支架作用，而且還有效地對左、右盒體進行限位及其定位（在其適宜部位設置定位銷套）作用。圖5所示的氣缸支架亦是該套熱芯盒優化設計的一個較為主要的亮點。

6 其它附件

6.1 下頂芯板導向桿

在GSR2制芯機上，目前尚有少數工廠仍然沿用圖6（a）所示的下頂芯板導向桿。該零件結構與圖6（b）所示的導向桿相比不難看出其存在結構復雜、制作精度要求高、制作工藝復雜、安裝、維護不夠簡便等不足。

圖6 水平分盒制芯機熱芯盒下頂芯板導向桿的兩種不同結構

6.2 左、右盒體的機械式鎖緊機構

在GSR2制芯機的四開盒以上的熱芯盒上，為了增強左、右主側盒體的合模可靠性，往往在結構上設計出機械式的鎖緊機構。在圖1所示的K385氣缸體水套砂芯五開盒熱芯盒上，根據前述的一些優化設計理念，我們設計出了圖7所示結構的鎖緊塊。

圖7 氣缸體水套芯（五開盒）熱芯盒左、右盒體機械式鎖緊塊的兩種結構

圖7所示的左、右盒體鎖緊塊的主要特點有：其一，鎖緊塊較長，其對左、右合體的鎖緊點在左、右盒體的最下端，而這正是左、右盒體在相應氣缸合模后的間隙最大處，其鎖在了“要點”處；其二，不同結構滿足不同工況：圖7（a）所示結構為通常狀況下的無第五（或第六）開盒結構一端所用鎖緊塊，圖7（b）所示的結構為有第五（或第六）開盒結構一端的鎖緊塊；其三，結構簡單，在上盒體上安裝方便、可靠，其開盒（氣缸）行程較大的制芯機上適宜性尤其良好。

6.3 熱覆膜砂擋砂帽

在GSR2制芯機熱芯盒的平射嘴上，其熱覆膜砂的擋砂帽傳統的結構大致可分為圖8（a）、（b）兩種。該兩種結構的擋砂帽的共同特點是設置在射砂板的上平面，故而其共同的缺點也是無法擋住射砂嘴內的砂，擋砂效果欠佳。

鑒于圖 8（a）、（b）兩種結構的不足，我們優化設計出了圖8（c）所示的迷宮式擋砂帽。生產實踐表明，其效果良好，最大限度地擋住了熱覆膜砂的自由下墜量。故而圖8（c）所示的迷宮式擋砂帽是平射嘴之擋砂帽中的優化結構，同時，其也適用了插入式射砂嘴。

圖8 熱芯盒平射嘴熱覆膜砂擋砂帽的幾種不同結構

[1] 中國機械工程學會鑄造專業學會.鑄造手冊：第5卷鑄造工藝[M].北京：機械工業出版社，2003.

[2] 吳光峰.鑄造工藝工裝設計手冊[M].北京:機械工業出版社,1989.

[3] 劉文川，李偉鵬.462Q氣缸體水套砂芯制芯工藝及熱芯盒設計[J].鑄造設備研究，2000（3）:27-30.

[4] 陳劍敏.水套砂芯熱芯盒射芯機[J].中國鑄造裝備與技術，2000(4):50-52.

[5] 劉文川，王興平，譚勇.干式缸套氣缸體水套砂芯的熱芯盒優化設計[J].中國鑄造裝備與技術，2005（1）:41-43.

Optimal Design of Hot Box of Sand Core for Cylinder Block Water Jacket

LIU WenCuan1，HE Gui2
(1.Southwest Inner Combustion Engine Fittings General Works，Nanchong 637100，Sichuan China；2.Sichuan Zigong Professional Technology College，Zigong 643000，Sichuan China）

Shortcomings of parts or components in description with traditional form or form in equipment manual of Model GSR2 core shooter for production of sand core of water jacket of cylinder block have been briefly introduced with comment.Optimal design methods with manual work efficiency，theory of performance and golden section principle which could be used to overcome those shortcomings have been put forward，or preference structures be selected have also been reviewed.

Coremaking machine；Cylinder block；Sand core of water jacket；Hot box；Optimal design

TG 231.66；

B

1006-9658（2011）01-5

2010－08－27

2010－124

劉文川（1963-），男，高級工程師，主要從事車用發動機缸體缸蓋鑄造工藝工裝的技術研究及設計工作