萬噸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體及干式缸套柴油發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體消失模生產(chǎn)線建設(shè)

許少紅

（天津市龍鑫匯/瑞普天晟汽車零部件制造有限公司，天津武清 301701）

我公司是大批量專業(yè)生產(chǎn)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的廠家，在國內(nèi)擁有十幾家汽車主機(jī)廠的市場資源。為發(fā)展壯大企業(yè)，以使企業(yè)在激烈的市場競爭中立于不敗之地，2008年公司決定：利用現(xiàn)有的市場資源，逐步上馬發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體鑄造及深加工，直至生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力總成項(xiàng)目。為此就低合金鑄鐵發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體鑄造項(xiàng)目進(jìn)行了調(diào)研，并決定上一條萬噸消失模生產(chǎn)線用于生產(chǎn)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體。

1 汽缸體鑄造項(xiàng)目組織調(diào)研及立項(xiàng)

低合金鑄鐵汽缸體鑄造造型工藝種類有好幾種，基于公司基本條件及天津市對環(huán)境保護(hù)愈來愈高的要求，公司考慮是否可以采用稱為“21世紀(jì)的鑄造綠色環(huán)保工程”的消失模鑄造工藝來生產(chǎn)低合金鑄鐵汽缸體，當(dāng)時(shí)國內(nèi)還沒有批量生產(chǎn)低合金鑄鐵（帶缸套）汽缸體成熟經(jīng)驗(yàn)，為此而展開項(xiàng)目組織調(diào)研。

1.1 項(xiàng)目組織調(diào)研

經(jīng)過走訪多位消失模鑄造工藝專家教授，組織調(diào)研消失模鑄造模具專業(yè)制造廠、消失模鑄造設(shè)備生產(chǎn)廠家、消失模工藝鑄造廠及有關(guān)材料生產(chǎn)商后，得到如下結(jié)論：在國內(nèi)最近幾年，消失模鑄造工藝得到了飛速發(fā)展，特別是在灰鑄鐵鑄件方面則更為突出。消失模鑄造用專用材料、模具、設(shè)備以及專用生產(chǎn)線已具備生產(chǎn)高端、高附加值產(chǎn)品（如汽油發(fā)動(dòng)機(jī)及干式缸套柴油發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體）的條件。在同等規(guī)模情況下，消失模鑄造工藝在設(shè)備投資、員工工作條件、污染物排放、能耗等方面要優(yōu)于其他工藝。

1.2 項(xiàng)目立項(xiàng)

公司采用真空消失模全自動(dòng)生產(chǎn)線生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體、排氣管，并已通過能耗評(píng)估和環(huán)保許可（津武環(huán)保許可表[2010]036號(hào)）。將建設(shè)國內(nèi)第一條萬噸消失模生產(chǎn)線用于生產(chǎn)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體，要求其工藝技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)、國內(nèi)領(lǐng)先水平。項(xiàng)目被列入2009年度天津市重點(diǎn)項(xiàng)目。

2 項(xiàng)目總體技術(shù)方案

2.1 設(shè)計(jì)的基本原則

采用生產(chǎn)線大批量生產(chǎn)方式，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、低污染，保證滿足環(huán)保要求的前提下，達(dá)到年產(chǎn)1萬t汽缸體能力。

2.2 設(shè)計(jì)的總體要求

（1）主要產(chǎn)品：材質(zhì)為低合金HT250的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體及干式缸套柴油發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體，球墨鑄鐵排氣管。

（2）生產(chǎn)線節(jié)拍：30箱/h。

（3）通過能耗評(píng)估和環(huán)保許可。

3 生產(chǎn)工序的設(shè)置及技術(shù)工藝方案

以40 kg/件重汽油發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體為生產(chǎn)線設(shè)計(jì)主產(chǎn)品，按1件/min的生產(chǎn)效率設(shè)計(jì)各生產(chǎn)工序及技術(shù)工藝方案。

3.1 消失模模型制造

3.1.1 模具設(shè)計(jì)制造

消失模鑄造用模具有其特殊性，每鑄造一個(gè)鑄件需用模具制造一個(gè)泡沫塑料模樣，一般情況下，模具設(shè)計(jì)直接影響以后的鑄造工藝，因此模具設(shè)計(jì)一定要和鑄造工程師一起來完成。帶缸套汽缸體消失模鑄造在模具方面，最關(guān)鍵是如何確保缸筒以及和曲軸位軸線的形位公差。

3.1.2 模料預(yù)發(fā)及熟化

低合金HT250的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體及球鐵排氣管采用STMMA料，干式缸套柴油發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體采用EPS料，用同一臺(tái)預(yù)發(fā)機(jī)預(yù)發(fā)后，在熟化倉中熟化4 h.

3.1.3 模片成型及熟化

模片成型是在液壓半自動(dòng)成型機(jī)上來完成，通過模具的優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)汽缸體模樣缸套和曲軸箱體一次成型，小型汽油機(jī)缸體甚至連同澆注系統(tǒng)也一次成型，從根本上解決了變形及尺寸精度問題，同時(shí)最大限度的降低了黏膠對鑄件質(zhì)量的影響。為使模樣中水分及發(fā)泡劑擴(kuò)散揮發(fā)保持尺寸穩(wěn)定，以及減輕發(fā)泡劑對鑄造過程的不利影響，需將模樣在常溫條件下自然熟化15 d.

3.1.4 模片烘干

模片及成形澆注系統(tǒng)在組粘成完整模樣之前，需在（50±5）℃，相對濕度小于40%條件下，烘干至恒重。采用獨(dú)立的烘干室用于模片烘干。

3.1.5 粘接組合

帶缸套汽缸體模片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前采用人工粘接方式，為能有足夠的操作時(shí)間，而采用冷膠，澆注系統(tǒng)則用熱熔膠。在滿足粘接前提下，一定要盡力少用膠。外部粘接縫可用美紋紙粘貼以改善表面質(zhì)量，美紋紙粘貼后無需烘干，可直接浸涂耐火涂料，以防美紋紙和模樣開裂。

3.1.6 浸涂耐火涂料及烘干

成功的采用某公司生產(chǎn)的國產(chǎn)消失模涂料用于帶套汽缸體，經(jīng)過試驗(yàn)對比，該涂料綜合性能很好，性價(jià)比極高，特別是抗開裂性能優(yōu)良，這一點(diǎn)要優(yōu)于外資企業(yè)消失模涂料，對于帶水套汽缸體最為重要。采用3個(gè)獨(dú)立450 m3烘干室，按涂料次數(shù)分別烘干。烘干修補(bǔ)好的模型組放置在一個(gè)獨(dú)立的恒溫干燥烘干室待造型澆注。

3.2 合金鐵水熔煉

3套600 kW，IGBT串聯(lián)逆變中頻電源，配3套1 t帶磁軛的鋼殼爐體，組成3 t/h鐵水熔煉能力。

3.2.1 配料

在原料庫采用天車電磁吸盤按每爐次集中配料放入料斗中，再用叉車運(yùn)送至電爐平臺(tái)。

為確保產(chǎn)品質(zhì)量，鐵合金、孕育劑及球化劑均要進(jìn)行精選，選用質(zhì)量可靠的產(chǎn)品。

3.2.2 熔煉

采用IGBT串聯(lián)逆變中頻感應(yīng)電爐熔煉，利用爐前帶儲(chǔ)存打印功能的熱分析儀及防飛濺測溫槍進(jìn)行成分及溫度控制。

3.3 造型、澆注及冷卻落砂

3.3.1 造型

懸鏈輸送線將烘干修補(bǔ)好的模型組由緩存室輸送至生產(chǎn)線造型工位，由3臺(tái)串聯(lián)放置的震實(shí)臺(tái)按每箱2件造型，30箱/h的速度，實(shí)現(xiàn)1件/min的生產(chǎn)效率。

3.3.2 澆注

冶金單軌電葫蘆將熔煉好的鐵水調(diào)運(yùn)至澆注機(jī)進(jìn)行澆注。

3.3.3 冷卻落砂

鑄件在真空砂箱中冷卻1.5 h后，利用底泄砂機(jī)構(gòu)落砂，鑄件被吊出放入專用箱中，舊砂進(jìn)入砂處理系統(tǒng)。

4 消失模鑄造生產(chǎn)線的技術(shù)特點(diǎn)

這套汽缸體消失模鑄造生產(chǎn)線，其主要技術(shù)特點(diǎn)是采用二維圓周運(yùn)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)分6個(gè)工序完成造型工作，采取移動(dòng)抽真空方式，用全液壓澆注機(jī)澆注，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線30箱/h的高節(jié)拍，達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

4.1 熔煉系統(tǒng)

由某中頻設(shè)備廠專業(yè)生產(chǎn)的3套600 kW，1 t IGBT串聯(lián)逆變中頻感應(yīng)電爐，配套智能動(dòng)態(tài)諧波濾波器組成熔煉系統(tǒng)。

技術(shù)特點(diǎn)如下：

（1）節(jié)能型IGBT晶體管中頻電源逆變電壓為2800 V，而傳統(tǒng)可控硅中頻電源逆變電壓僅為750 V，電流小了近4倍，線路損耗大大降低。IGBT晶體管是德國西門康公司生產(chǎn)，配套保護(hù)功能的驅(qū)動(dòng)，設(shè)備不但節(jié)能，更具有高可靠性。同時(shí)配備的鋼殼爐體，由于爐體剛度高，故爐襯壽命比鋁合金爐體要高很多，且爐體由于磁軛的作用，對周圍環(huán)境磁污染少，爐臺(tái)可用鋼結(jié)構(gòu)制造。

（2）任何開關(guān)、變頻性設(shè)備都會(huì)產(chǎn)生諧波，智能動(dòng)態(tài)諧波濾波器能消除中頻電源產(chǎn)生的3次、5次、7次及11次諧波對電網(wǎng)及用電設(shè)備產(chǎn)生一定影響，特別是對生產(chǎn)線變頻設(shè)備的危害，同時(shí)還起到補(bǔ)償，提高中頻電源的功率因數(shù)降低無用功，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

4.2 造型系統(tǒng)

造型設(shè)備使用1臺(tái)三位線性運(yùn)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)和2臺(tái)二維圓周運(yùn)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)每隔一砂箱位放置一套，形成預(yù)加底砂震實(shí)；放置模型組并初步固定；雨淋加砂震實(shí)至模型組中上部；檢查調(diào)整；雨淋加砂震實(shí)完畢；放置塑料模、澆口杯及加保護(hù)砂等6個(gè)工位。

4.2.1 砂箱及載箱小車

砂箱采用長圓形狀，箱底部及四周對稱部位設(shè)置真空室，砂箱底中部裝有新專利底卸砂機(jī)構(gòu)。砂箱放在載箱小車上按節(jié)拍運(yùn)動(dòng)至震實(shí)臺(tái)上方，震實(shí)造型時(shí)，由震實(shí)臺(tái)托起與載箱小車分離，載箱小車保持不動(dòng)，保證輸送線連續(xù)。

砂箱長圓形狀與長方形相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）制造簡單，材料利用率高，制造成本低；（2）砂箱剛度高，在震動(dòng)工作狀態(tài)十分有利；（3）砂箱水平方向無死角，造型砂緊實(shí)度均勻，抽真空時(shí)，型砂位移小，模型組不易變形，對鑄件尺寸精度有益；（4）造型砂用量有所減少，對砂處理系統(tǒng)有利。

4.2.2 二維圓周運(yùn)動(dòng)震實(shí)臺(tái)

由某公司制造的二維圓周運(yùn)動(dòng)震實(shí)臺(tái)，由于其獨(dú)特的工作原理，使得造型砂在水平方向運(yùn)動(dòng)、均勻擴(kuò)散能力很強(qiáng)。當(dāng)汽缸體模型組造型時(shí)，實(shí)際表現(xiàn)為造型砂在曲軸箱上凹處及缸體水套窄縫隙處的很好填充緊實(shí)，這一點(diǎn)決定著帶缸套汽缸體消失模鑄造的鑄件成形，是能成功應(yīng)用消失模鑄造工藝生產(chǎn)帶缸套汽缸體的關(guān)鍵前提。巧妙的設(shè)計(jì)安排三套震實(shí)臺(tái)的布置，將每一個(gè)砂箱的造型分6個(gè)工位來完成。2 min砂箱移動(dòng)一次，六工位共計(jì)12 min完成一箱造型工作量是完全沒問題的，由此實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線30箱/h的高節(jié)拍，是國內(nèi)消失模鑄造生產(chǎn)線節(jié)拍（一般在15箱/h以下）的2倍。

4.3 負(fù)壓、澆注系統(tǒng)

采用8工位澆注，砂箱底部與真空系統(tǒng)自動(dòng)通斷，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)移動(dòng)抽真空來保證生產(chǎn)線30箱/h的高節(jié)拍。澆注設(shè)備采用專利全液壓輪式澆注機(jī)澆注。該澆注機(jī)是專為消失模鑄造工藝生產(chǎn)線特點(diǎn)設(shè)計(jì)制造，較為人性化，澆注工易操作。

4.4 冷卻系統(tǒng)

澆注凝固定型后，去掉負(fù)壓，鑄件在干砂中自由冷卻1.5 h后，進(jìn)入落砂工位。

4.5 落砂系統(tǒng)

緩存落砂斗、自動(dòng)開合門機(jī)構(gòu)及砂箱新專利底卸砂機(jī)構(gòu)組成落砂系統(tǒng)。設(shè)計(jì)2個(gè)砂箱工位底卸落砂，以保障生產(chǎn)線高節(jié)拍要求。

新專利底卸砂機(jī)構(gòu)：新型機(jī)構(gòu)是在第一代專利底卸砂機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上改進(jìn)而成，耐熱密封件不與熱砂相接觸實(shí)現(xiàn)長壽命，特殊密封方式的設(shè)計(jì)使得砂箱里負(fù)壓度越高則密封效果越好，密封蓋板工作時(shí)，施加一定的預(yù)壓力，即實(shí)現(xiàn)良好密封，又防止了脫鉤誤動(dòng)作，開合密封蓋板無需額外動(dòng)力。底卸砂機(jī)構(gòu)與翻箱機(jī)構(gòu)比較有如下優(yōu)點(diǎn)：無須龐大的翻箱機(jī)構(gòu)及落砂機(jī)，設(shè)備投資少，故障率低；無動(dòng)力消耗；噪音低，易于設(shè)置除塵，環(huán)境條件好；鑄件不易碰傷。

4.6 砂處理系統(tǒng)

砂處理系統(tǒng)全部自動(dòng)工作在密封除塵狀態(tài)下，采用粗篩、螺旋加濕冷卻、磁選、立式冷卻器及細(xì)篩工藝，砂處理能力大于45 t/h.

4.7 砂箱輸送系統(tǒng)

輸送線由59套1100 mm×900 mm×900 mm長圓砂箱（含載箱小車），2條平行線，線端頭采用2臺(tái)變頻擺渡車組成，全線可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和手動(dòng)二種模式。

4.8 除塵系統(tǒng)

采用4臺(tái)不同除塵器，分別對高溫區(qū)、高濕區(qū)、高粉塵區(qū)及低溫區(qū)進(jìn)行除塵處理，累計(jì)達(dá)6萬m3。

5 項(xiàng)目成果介紹

公司采用真空消失模全自動(dòng)生產(chǎn)線生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體、排氣管，并已通過能耗評(píng)估和環(huán)保許可（津武環(huán)保許可表[2010]036號(hào)）。我公司是國內(nèi)第一個(gè)采用萬噸消失模生產(chǎn)線生產(chǎn)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體的廠家，其工藝技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)、國內(nèi)領(lǐng)先水平。消失模工藝在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上的應(yīng)用，將會(huì)縮小我國和國外鑄造水平的差距，由于其市場需求巨大，并且需求不斷增加，故有很好的市場前景。消失模鑄造工藝的節(jié)能減排潛力的發(fā)揮將對環(huán)境保護(hù)起到良好的作用。該項(xiàng)目的實(shí)施將對天津汽車行業(yè)乃至全國汽車行業(yè)的發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

6 結(jié) 論

1）二維圓周運(yùn)動(dòng)震實(shí)臺(tái)從應(yīng)用效果及價(jià)位來考慮是消失模鑄造造型設(shè)備的首選，特別是復(fù)雜鑄件。

2）國產(chǎn)液壓半自動(dòng)成型機(jī)能滿足復(fù)雜鑄件模片的生產(chǎn)。

3）國產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)涂料完全能滿足消失模高端鑄件的要求。

4）IGBT串聯(lián)逆變中頻電源，配帶磁軛的鋼殼爐體，可達(dá)到2800 V的中頻輸出電壓，實(shí)現(xiàn)節(jié)能，并減少了對環(huán)境的磁污染。

5）智能動(dòng)態(tài)諧波濾波器能避免諧波污染電網(wǎng)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了節(jié)能。

6）用消失模鑄造工藝在生產(chǎn)線上生產(chǎn)帶缸套汽缸體鑄件，從工藝方面講是可行的，汽缸體鑄件經(jīng)過汽車廠臺(tái)架試驗(yàn)證明，消失模帶套汽缸體鑄件材質(zhì)能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)要求。由于消失模鑄造工藝影響因素很多，有些因素又相互影響（制約），參數(shù)選擇范圍極窄，從而增加了生產(chǎn)控制難度，這就給生產(chǎn)高端消失模鑄件廠家提出全方位高要求，只有每道工序，每個(gè)細(xì)節(jié)做到位，才會(huì)有好的回報(bào)。