WP7 柴油機(jī)整體式氣缸蓋立澆鑄造工藝設(shè)計(jì)

陳玉英，梁 泉，明金元，齊亞平

（濰柴動(dòng)力（濰坊）鑄鍛有限公司，山東濰坊 261001）

WP7 柴油機(jī)是濰柴獨(dú)立開(kāi)發(fā)的一款新型柴油機(jī)，主要配套城市客車(chē)和中重型卡車(chē)，是濰柴未來(lái)幾年的戰(zhàn)略產(chǎn)品。WP7 柴油機(jī)采用整體式氣缸蓋，每缸四氣門(mén)，噴油器中間垂直布置，與分體式缸蓋相比主要有以下優(yōu)點(diǎn)：六缸一蓋，強(qiáng)度更高；缸心距變小，大大縮短發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)度；進(jìn)排氣同側(cè)，結(jié)構(gòu)更緊湊。但整體式的氣缸蓋結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)要求高、鑄造工藝性能相對(duì)較差，同時(shí)對(duì)鑄件尺寸、內(nèi)在組織致密性、內(nèi)腔清潔度要求很高。另外，整體式氣缸蓋在濰柴首次應(yīng)用，鑄件工藝設(shè)計(jì)無(wú)任何借鑒經(jīng)驗(yàn)，這些均給鑄造工藝設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的難度。

1 氣缸蓋傳統(tǒng)平澆鑄造工藝與立澆鑄造工藝對(duì)比

1.1 平澆鑄造工藝的優(yōu)點(diǎn)

（1）內(nèi)澆道位于鑄件底部，金屬液進(jìn)入型腔平穩(wěn)，對(duì)型、芯沖擊力小，金屬氧化性小，有利于型腔內(nèi)氣體排出，可以避免因沖擊、飛濺和氧化而導(dǎo)致的鑄件缺陷。

（2）平澆工藝可以把缸蓋上平面的形狀在上模形成，不用單獨(dú)制作砂芯，減少了砂芯的數(shù)量，簡(jiǎn)化了組芯工藝。

1.2 平澆鑄造工藝的缺點(diǎn)

（1）型腔頂面較寬，液態(tài)金屬在充填鑄型和凝固過(guò)程中，與鑄型（芯）發(fā)生熱作用，頂面受鐵液烘烤的時(shí)間越長(zhǎng)，鑄型（芯）產(chǎn)生膨脹和應(yīng)力變形越大。澆注過(guò)程中產(chǎn)生的機(jī)械作用，使型砂（芯）表面砂粒或涂料層在與流動(dòng)的液態(tài)金屬摩擦或動(dòng)壓力作用下脫落，形成砂眼和起皮夾砂等鑄造缺陷。

（2）在高溫鐵液浮力作用下，砂芯受力形成“懸臂效應(yīng)”。鑄件內(nèi)腔的水套芯受鐵液浮力作用大，砂芯易產(chǎn)生變形甚至斷裂，形成偏芯、夾砂等缺陷。

（3）平澆工藝多采用底注方式澆注，缸蓋上下平面溫度場(chǎng)差別較大，而缸蓋的寬度尺寸一般都是高度尺寸的1.5 倍左右，導(dǎo)致高度方向的剛性較差，鑄件容易彎曲變形。

（4）不便于設(shè)置補(bǔ)縮冒口。

（5）受砂箱內(nèi)壁長(zhǎng)度和寬度尺寸的限制，平澆方式在砂箱內(nèi)布置的數(shù)量較少，原材料消耗大，不利于合理安排生產(chǎn)和降低成本。砂箱高度方向不能充分利用，生產(chǎn)效率也不高。

1.3 立澆鑄造工藝的優(yōu)點(diǎn)

氣缸蓋立澆工藝是鑄件立式面對(duì)面布置，兩組砂芯在組芯、浸涂、烘干后用螺栓把緊鎖芯，然后將整體芯組下到砂型中。立澆工藝相對(duì)于傳統(tǒng)的平澆工藝來(lái)說(shuō)，有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）立澆工藝的澆注液面一般是從下往上升，有利于芯腔內(nèi)的渣和氣體排出，方便設(shè)置補(bǔ)縮冒口，便于鑄件補(bǔ)縮。

（2）在高溫鐵液浮力作用下，鑄件內(nèi)腔的水套芯不易發(fā)生變形、斷裂等現(xiàn)象。

（3）鑄件尺寸全部由砂芯形成，尺寸精度高，鑄件表面質(zhì)量好，粗糙度低。

（4）能夠充分利用砂箱的空間，鑄件布置緊湊，生產(chǎn)效率高。

2 WP7 氣缸蓋立澆工藝的設(shè)計(jì)

2.1 砂芯工藝設(shè)計(jì)

WP7 氣缸蓋采用的是四氣門(mén)六缸連體式的結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1)，鑄件外輪廓尺寸為861×269×120（mm），毛坯質(zhì)量約87 kg/件，其內(nèi)腔結(jié)構(gòu)緊湊、復(fù)雜，同時(shí)也是高強(qiáng)度、薄壁灰鑄鐵件，材質(zhì)為HT280，最小壁厚≥3 mm。

圖1 WP7 氣缸蓋毛坯

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)砂芯，WP7 氣缸蓋所需砂芯分別為底盤(pán)芯、上蓋芯、上水套芯、下水套芯、進(jìn)氣道芯、排氣道芯、串水孔芯、長(zhǎng)條短邊芯等。氣缸蓋的上、下水套芯是形成水流空腔的位置，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，砂芯薄壁位置多，在射芯過(guò)程中很容易不飽滿。同時(shí)，上水套為整體式，長(zhǎng)度方向尺寸較大，在起模或搬運(yùn)過(guò)程中易斷裂、變形。根據(jù)多年經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)砂芯芯頭結(jié)構(gòu)和定位方式，上水套芯結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)圖2，該結(jié)構(gòu)使砂芯定位更準(zhǔn)確，且為了利于內(nèi)腔氣體的排出，在幾處主要排氣的位置設(shè)計(jì)成如圖3 結(jié)構(gòu)。由于水套結(jié)構(gòu)復(fù)雜壁厚較薄，必須有足夠的強(qiáng)度，所以水套芯用高強(qiáng)度覆膜砂熱芯工藝，其余砂芯用冷芯工藝。

2.2 組芯流程設(shè)計(jì)

圖2 整體式的上水套芯

圖3 砂芯排氣結(jié)構(gòu)

生產(chǎn)一個(gè)WP7 氣缸蓋毛坯共需11 種砂芯，首先水平組單個(gè)芯組，然后將兩個(gè)芯組合為一個(gè)整體的芯組，最后將整體芯組放入砂型中。水平組芯即人工在組芯線上的底盤(pán)芯內(nèi)依次放置串水孔芯、下套芯、進(jìn)排氣道芯、上套芯、長(zhǎng)條短邊芯組，然后用浸涂機(jī)器人對(duì)組好的芯組和上蓋芯進(jìn)行整體浸涂，之后在表干爐中烘干，組好的單個(gè)芯組詳見(jiàn)圖4 和圖5。砂芯出爐后，利用砂芯轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械手將上蓋芯扣在底盤(pán)芯組上，再由另一機(jī)械手分別將2 個(gè)芯組放入組芯胎具中進(jìn)行二次組芯，用螺栓把緊，完成組芯后的整體芯組詳見(jiàn)圖6。

圖4 底盤(pán)芯組

圖5 扣上上蓋芯后的單個(gè)芯組

圖6 用螺栓把緊后的整體芯組

2.3 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

砂箱長(zhǎng)寬高為1 200×1 000×320（mm），一個(gè)型腔兩件鑄件（如圖7 所示）。澆注系統(tǒng)按照內(nèi)澆道在鑄件上開(kāi)設(shè)位置不同分類(lèi)，有頂注式、底注式、中間注入式、階梯式、垂直縫隙式、復(fù)合式澆注系統(tǒng)。

圖7 砂箱型腔的布置

頂注式澆注系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，便于造型且節(jié)約金屬。金屬液容易充滿型腔，金屬液溫度上高下低，凝固順序自下而上，有利于發(fā)揮冒口的作用進(jìn)行鑄件補(bǔ)縮。缺點(diǎn)是對(duì)鑄型底部沖擊大，容易造成沖砂；金屬液易產(chǎn)生飛濺，澆注時(shí)液流落下造成金屬液翻騰，不利于浮渣排氣。對(duì)于立澆工藝，頂注式澆注系統(tǒng)還存在以下缺陷：兩組的砂芯之間不可避免的存在間隙，而且整個(gè)澆注系統(tǒng)很難被壓砂環(huán)封閉，這樣會(huì)造成鐵液外溢，披縫鐵包圍整個(gè)芯組，影響砂芯的排氣效果，同時(shí)也浪費(fèi)鐵液，為以后的清理工作帶來(lái)困難。立澆工藝本身使得缸蓋向外型的排氣槽可開(kāi)位置就比較少，頂面進(jìn)水的澆注系統(tǒng)會(huì)占用部分砂芯排氣口的位置，造成砂芯排氣不暢，容易產(chǎn)生氣孔等缺陷。

底注式澆注系統(tǒng)充型平穩(wěn)，對(duì)型、芯沖擊力小，不會(huì)產(chǎn)生沖砂、飛濺及鐵豆，氧化傾向小，有利于金屬液中的渣、氣及型腔內(nèi)氣體排出。但鑄件的溫度分布不利于自下而上的定向凝固及冒口補(bǔ)縮。

階梯式澆注系統(tǒng)金屬液對(duì)鑄型的沖擊力小，液面上升平穩(wěn)，并且鑄型上部的溫度較高，有利于補(bǔ)縮，渣、氣易上浮且排入冒口中，同時(shí)改善了補(bǔ)縮條件。

通過(guò)分析研究，一致認(rèn)為采用“底注+中注”式的階梯式澆注系統(tǒng)方案。底面進(jìn)水的分橫澆道布置在下外型，鐵液由外型上的分橫澆道再上升至砂芯的內(nèi)澆道。為了使鐵液在澆注過(guò)程中更加平穩(wěn)，將過(guò)濾網(wǎng)布置在下型分橫澆道上。

2.4 加工余量和砂芯配合間隙的設(shè)計(jì)

WP7 氣缸蓋立澆鑄造工藝中，其所有鑄件面均由砂芯形成，鑄件尺寸精度相對(duì)較高，加工余量可設(shè)計(jì)為3～5 mm，如果過(guò)程和設(shè)備控制的水平較高，甚至可設(shè)計(jì)為2～4 mm。

砂芯的配合間隙要根據(jù)配合位置的重要程度來(lái)確定，如要求配合準(zhǔn)確，對(duì)相關(guān)尺寸影響較大。如氣道的芯頭配合，其砂芯配合間隙設(shè)計(jì)為0.1～0.15 mm，其他砂芯配合間隙可以放置在0.2～0.5 mm，部分配合間隙可以放到0.6～1.2 mm，具體的間隙選擇是根據(jù)砂芯配合精度要求來(lái)決定的。配合間隙設(shè)計(jì)時(shí)已考慮涂料層厚度，因此芯頭部位不需再考慮涂料層。

2.5 立澆鑄造工藝技術(shù)難點(diǎn)

保證內(nèi)澆道逐層按順序注入鐵液，即鐵液先進(jìn)入下層內(nèi)澆道，型腔液面逐漸上升接近上層內(nèi)澆道時(shí)，才由上層內(nèi)澆道注入鐵液。若兩層內(nèi)澆道同時(shí)注入鐵液產(chǎn)生“亂澆”，易造成飛濺、漩渦、夾氣和夾渣現(xiàn)象，容易產(chǎn)生砂眼、氣孔等缺陷。

3 結(jié)語(yǔ)

WP7 氣缸蓋鑄造工藝的設(shè)計(jì)，通過(guò)采用新型的立澆鑄造工藝，充分利用砂箱的空間，生產(chǎn)效率較高，生產(chǎn)率提高50%；提高了砂芯組裝生產(chǎn)率，工藝出品率也隨之提高，一定程度降低了生產(chǎn)成本。整個(gè)鑄件由砂芯形成，砂芯定位準(zhǔn)確，鑄件尺寸精度高，減少了下芯造成的尺寸偏差。WP7 氣缸蓋立澆鑄造工藝的成功應(yīng)用，填補(bǔ)了濰柴鑄鍛公司整體式缸蓋立澆工藝的空白，為濰柴鑄鍛公司大批量生產(chǎn)整體式缸蓋積累了經(jīng)驗(yàn)，豐富了缸蓋鑄造生產(chǎn)工藝，提高了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

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