V型柴油機氣缸體鑄造工藝設計

臧加倫，齊 建，劉云云

（濰柴動力股份有限公司，山東濰坊 261205）

0 引言

2009年濰柴動力成功收購法國博杜安公司，該公司有兩款V型柴油機，主要用于游艇主機、快艇及其他運輸船舶。為扭轉市場頹勢，主要零部件按計劃實現國產化、降低制造成本。鑄造廠首次生產V型氣缸體，鑄造工藝的設計是氣缸體國產化的關鍵。

該V型氣缸體輪廓尺寸1 470×840×610（mm），毛坯質量860 kg。在國外供應商鑄造廠的生產工序全部采用手工工藝，生產效率較低；尤其是大缸芯制芯及組芯，無法滿足國產化的批量生產需求。在鑄造廠不增加專用設備和場地的條件下開發適合濰柴鑄造廠的生產工藝，該工藝需用滿足小批量生產需求，同時毛坯尺寸準確、生產成本低。

1 工藝方案概述

根據V型氣缸體的結構特點（毛坯形狀見圖1），確定了基本的鑄造工藝設計方案。①造型采用堿性樹脂砂工藝，長度方向縮尺1.1，寬度方向1.0。內腔全部使用冷芯，縮尺1.0；②大缸芯和前后端芯在FA100射芯機上制芯。大缸芯制芯由于使用了大量的活塊，在無專用設備的條件下需要進行復雜的工裝設計；③使用杜倫斯特種涂料，可在一定程度上防止砂芯的燒結，提高鑄件內腔表面的清潔度；④主體芯包括前后端和中間大缸芯共8顆砂芯，為提高毛坯的尺寸精度，使用胎具整體組芯，使用下芯夾具整體下芯。組芯胎具和下芯夾具的使用提高了生產效率、降低了勞動強度；⑤澆注系統采用底注方式，澆注質量為1 020 kg，CAE模擬的澆注時間為45 s；澆注系統的設計保證鐵液充填平穩，砂芯的氣體充分排出型腔；⑥氣缸體的底平面設計14根冒口棒，保證澆注過程中型腔的排氣和冷鐵液充分溢出。工藝設計見圖2。

圖1 V型氣缸體毛坯

圖2 V型氣缸體工藝示意圖

2 工藝要點

按上述方案實施的工藝開發非常順利，第一輪工藝驗證生產的毛坯，經劃線解剖和理化性能檢測，滿足產品形狀和性能要求。工藝開發過程中突出的創新點是大缸芯的制芯工藝、主體芯的整體組芯和下芯工藝，本文做詳細介紹。

2.1 大缸芯制芯工藝

為保證功能的結構設計和壁厚的均勻性，該V型氣缸體大缸芯的內腔設計出現了10處阻礙制芯開模的結構，見圖3。按照常規設計，芯盒內存在大量活塊，大缸芯的制芯需要使用傳統的手工芯盒自硬砂制芯，無法在制芯機上生產。為了提高制芯質量，保證尺寸精度和內腔的表面質量，大缸芯的制芯采用了射芯機射砂固化、地面開模取芯的半手工方式。該制芯工藝不需要專用設備的投資，同時保證制芯質量，生產效率也比純手工方式有一定程度的提高。

圖3 大缸芯活塊

制芯工藝過程。射砂吹胺后，芯盒主體部分隨工作臺開出。使用電葫蘆將芯盒主體部分吊出，大缸芯芯盒體如圖4所示。吊出芯盒放置在大缸芯盒開模胎具上（圖5），開模后，使用大缸芯專用吊具將砂芯與活塊一起吊出，然后依次將活塊取出。取出后的活塊放置芯盒體內，重新組裝合模。將芯盒主體部分吊至射芯機工作臺上開進，合模射砂吹胺，進入下一循環。

圖4 大缸芯冷芯盒

圖5 開模胎具

大缸芯模具的結構特點：①芯盒體兩側安裝手輪便于操作，頂桿孔用HT250材料鑲襯套，以免磨損，當頂芯絲杠轉動開模時，側芯盒、開模胎具滑動板也同步滑動，保持砂芯開模平穩。開模后有限位銷，保持芯盒體與開模胎具的相對位置固定便于取芯；②開模胎具下部滑動板使用方形滾珠直線導軌定位滑動，并安裝耐磨條，芯盒合模定位使用了定位銷和套，鎖緊螺栓鎖緊。

制芯工藝的優點：①芯盒定位銷、套孔的中心距尺寸及公差要求控制準確，保證了模具型腔的尺寸準確，滿足氣缸體鑄件毛坯的尺寸要求；②采用機器制芯，合模緊密，制出的砂芯光潔，砂芯緊實度好，披縫少，制芯時間短；③模具開、合靈活，取芯方便，提高效率、降低勞動強度。芯盒體與開模胎具固定側鎖緊后，擰動兩頭的頂芯螺桿手輪，兩側芯盒自動脫開，用手拉至指定位置，鎖上限位銷。整個開模過程快捷而省力；④模具結構緊湊，定位準確，使用壽命增長。使用了耐磨條、導向鍵、方形滾珠直線導軌等部件，左右側芯盒與開模胎具的活動都用導軌進行前后運動，避免碰撞，延長了模具的使用壽命。

2.2 組合下芯工藝

同行業大型柴油機氣缸體鑄造的生產，毛坯尺寸長度方向多超過1 500 mm，普遍采用手工單顆砂芯下芯的組合工藝，即在砂型中按一定的順序單顆下芯。濰柴160、170等系列大型柴油機氣缸體組芯都采用手工下芯組芯工藝。

傳統的手工單顆下芯組芯工藝存在以下問題：①勞動強度大，主要靠人工搬運或借助于簡易的輔助吊具下芯；②生產效率低，需要依靠樣板檢查，人工調整，耗費大量工時；③鑄造缺陷多，單顆下芯、人工調整砂芯位置等因素產生很多鑄造問題，如擠掉砂、壁厚不均、加工缺料等缺陷；④尺寸精度低，單顆下芯存在定位不準、積累誤差等缺點，鑄件毛坯尺寸精度不高。

濰柴氣缸體毛坯生產的的整體組芯工藝只應用在P6/P7P10/P12等中小型氣缸體組芯上，該工藝具有生產效率高、尺寸精度高等優點，缺點是生產專業化程度高，需要配備專用流水線和大量的工藝裝備。對于法國博杜安系列產品的大型氣缸體鑄件，采用整體組芯下芯工藝是個嘗試。該工藝的實施,使大型氣缸體鑄件毛坯的尺寸精度提升到一個新的水平。

組芯胎具結構特點：①組芯胎具長度方向采用直線軸承，每顆砂芯對應一個支撐機構。其中一端砂芯支撐機構固定，其余為活動。單個砂芯支撐機構設有預定位結構并帶有鎖緊裝置，見圖6；②該組芯胎具使用耐磨滑塊滑動機構、限位塊固定，可降低工人的勞動強度，提高組芯效率；同時可以實現零間隙組芯，從根本上保證了鑄件毛坯的壁厚尺寸精度。

圖6 組芯胎具示意圖

圖7 在胎具上放置端芯

組芯下芯過程：①組芯過程：把端芯放置在固定在一端的砂芯支撐機構上，見圖7。把1顆大缸芯放置到剛放好端芯位置的鄰近的支撐機構上，滑動支撐機構，靠緊端芯后使用鎖緊裝置將該支撐機構鎖緊（定位的過程）。按照上述步驟，依次組裝其它砂芯至完成，見圖8；②使用三根螺栓將大缸芯與前后端芯鎖緊，形成主體芯組。使用專用下芯夾具將整體芯組從組芯胎具上吊起放入砂型中，見圖9。

圖8 在胎具上組裝主體芯組

圖9 下芯夾具吊起整體芯組

整體組芯下芯工藝的優點：①結合了流水線整體組芯和地面零活的手工工藝，是針對大型柴油機氣缸體生產的一種新型工藝；②降低了勞動強度、提高了生產效率；③鑄件毛坯尺寸準確，克服了傳統組芯工藝產生的諸多鑄造缺陷問題。

3 小結

經過工藝方案的實施、工藝驗證和完善，V型柴油機氣缸體的鑄件生產通過柴油機的疲勞和耐久試驗，毛坯尺寸和表面質量較國外供應商的該產品毛坯有較大的提高，同時鑄件成本較國外供應商大幅度下降。目前該產品毛坯已批量供應法國博杜安公司。

（1）V型氣缸體毛坯在濰柴鑄造廠生產是首次嘗試，該工藝為以后V型機新產品氣缸體的工藝開發提供了工藝借鑒。

（2）采用機器制芯、絲杠半自動開模的制芯方法，是生產大型氣缸體砂芯的一個不錯的工藝選擇，可以生產出高質量的大缸砂芯，有效保證氣缸體內腔表面質量和尺寸精度。

（3）大型柴油機氣缸體整體組芯下芯工藝結合了流水線整體組芯和地面零活手工工藝的特點，可以降低勞動強度、提高生產效率；鑄件毛坯尺寸準確；克服了傳統組芯工藝產生的諸多鑄造缺陷。