鑄鐵氣缸體中小型鑄造車間的設計

盧亭玉，劉文川(.南充職業技術學院，四川南充 63700；.西南內燃機配件總廠，四川南充 63700)

鑄鐵氣缸體中小型鑄造車間的設計

盧亭玉1，劉文川2
(1.南充職業技術學院，四川南充 637100；2.西南內燃機配件總廠，四川南充 637100)

簡述了鑄鐵氣缸體類鑄件鑄造生產的特點，對中小型生產規模及中等批量鑄造生產鑄鐵氣缸體的工藝流程、車間平面設計、砂處理單元、主設備—造型機（方式）選用、制芯工藝及制芯機的確定及選用，及鐵液熔煉等方面作了較詳細的闡述。以及引入了人體工效學、黃金分割原理等理念來指導鑄鐵氣缸體鑄造車間及其重要工裝的設計，使其達到了既適（實）用又經濟的效果。

氣缸體；鑄造車間；設備；工藝；工裝

0　前言

鑄鐵氣缸體，目前仍是國內及世界車用發動機氣缸體的大份額鑄件，也是目前世界鑄造量最大的一類鑄件。故其當今仍是鑄造行業工作者研究的重要課題之一，這類鑄件鑄造生產的特點是：多芯薄壁，結構復雜；鑄件合格率偏低，鑄造生產難度大；生產工序多，技術含量高；生產投入多，周期長等。鑄鐵氣缸體鑄造車間建設的特點:涉及面廣、設備多、層次高；技術要求高、面寬；資金投入多、建廠周期長。國內外建設鑄鐵氣缸體鑄造車間時?？梢娖浯笮图按笈胯T造生產車間的資料介紹［1-3］，中小型生產規模及中等批量鑄造生產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。根據我們所了解、掌握的情況看，這些工廠大多數沿用了較多的傳統工藝方法或設備，以及某些不夠合理的工藝方案，而使氣缸體類鑄件合格率偏低、產品質量較差，甚至出現較難正常生產等不良狀況。

鑒于此，我們根據多年來對該類氣缸體在鑄造生產實踐中獲得的較多經驗，成功為華北某汽配公司設計建造了一個中等批量濕型粘土砂型生產鑄鐵氣缸體的鑄造車間，現將其成功經驗的主要方面作簡要總結以供同行參考。

1　鑄鐵氣缸體鑄造生產工藝流程特點

鑄造車間的設計應根據其主要鑄件鑄造生產工藝流程及其工序來合理布置車間和設備選型，其鑄鐵氣缸體鑄造生產主要工藝流程見圖1。由圖可知，鑄鐵氣缸體鑄造生產周期較長、工序復雜，一般要經歷眾多工序，合理設置其鑄造過程中各項工藝是決定鑄件合格率高與低、產品質量好與差的關鍵因素，鑄鐵氣缸體鑄造生產的重要工藝有以下幾個方面：

圖1　鑄鐵氣缸體鑄造生產主要工藝流程簡圖

（1）造型工藝

目前世界各地鑄造生產鑄鐵氣缸體的造型工藝多種多樣，其多品種中小批量生產方式有采用樹脂自硬砂鑄造，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間設計的關鍵內容之一。

（2）制芯工藝

目前世界各地鑄造生產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代化的熱芯盒制芯及冷芯盒制芯都存在于現實生產之中，合理選擇適宜的制芯工藝亦是其鑄造車間設計的關鍵內容之一。

（3）熔煉工藝

目前世界各地鑄造生產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熔煉都存在于現實生產之中，合理選擇適宜的鐵液熔煉工藝同是其良好經濟性和鑄造車間設計的關鍵內容之一。

2　鑄鐵氣缸體鑄造車間設計

2.1車間平面設計

根據其鑄鐵氣缸體鑄造生產工藝流程及其工序合理布置，以及引入了人體工效學、美學、黃金分割原理等理念［4］來指導鑄鐵氣缸體鑄造車間的設計、設備選型及其工裝設計等。我們為華北某公司設計的生產鑄鐵氣缸體的鑄造車間平面布置（設計）圖如圖2所示。

氣缸體鑄造生產不僅工序多、復雜，而且其車間建設投資大、周期長，其鑄造車間平面布置（設計）合理與否也更是決定鑄件生產率高與低及鑄件合格率高與低的重要因素。鑄鐵氣缸體鑄造車間平面布置（設計）的主要特點有以下幾個方面：

（1）造型機置于車間中部

造型機置于車間中部，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（實型砂箱）轉運方便、快捷，以利其工效的提高。

（2）沖天爐置于車間外緣中部

沖天爐置于車間外緣中部，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）轉運方便、快捷，提高效率。

（3）砂處理單元置于車間東部

砂處理單元置于車間東部，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）車間中部置地軌轉運小車

在兩跨車間中部置地軌轉運小車，一是便于兩跨車間之間的砂型、砂芯、砂箱及舊砂等物質和物料轉換；二是便于鐵液出爐后（鐵液包）轉運方便、快捷，以盡可能少的時間將鐵液運至鐵液所需位置。

2.2砂處理工部

（1）混砂機的確定

按原兩天（每爐）鑄造生產80～100 臺（件）六缸氣缸體設計要求，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，該混砂機的型砂混制生產效率也可滿足其六缸氣缸體單日鑄造生產80～100 臺（件）/爐（擴量生產）要求。

（2）儲砂斗容量的確定

在該鑄造車間設計之初，企業原始意圖是兩天（每爐）鑄造生產80～100 臺（件）六缸氣缸體的設計要求，在結合我們長期從事車用發動機氣缸體鑄造生產的經驗，認為鑄鐵氣缸體的鑄造生產在當今世界已通常屬于批量生產經濟型鑄件，再根據企業和社會的發展需求，至少應在砂處理單元（工部）能力上按滿足其六缸氣缸體單日鑄造生產80～100 臺（件）/爐（擴量生產）要求。因此，我們對砂處理單元中儲砂斗容量確定為80 t的舊砂料斗。

（3）砂處理的二級磁選

濕型粘土砂型鑄造鑄鐵氣缸體生產，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量也較為重要。因此，我們在砂處理單元中對舊砂的磁選采用了滾筒磁選加懸掛磁選的二級磁選結構和方式，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量。

2.3造型工部

（1）生產率的確定

鑄鐵氣缸體中小型鑄造車間設計之初，企業要求是兩天（每爐）鑄造生產80～100 臺（件）六缸氣缸體，按此要求我們確定的造型生產率為25 型/h的雙工位濕型粘土砂造型機一臺，在一個班次內便可較順利地完成其造型（工序）任務。

（2）造型機的選定

在現實生產之中，濕型粘土砂鑄造鑄鐵氣缸體類鑄件從原始的手工造型、振動加風動錘造型、振動壓實造型、中壓微震壓實造型、高壓造型、氣沖造型到現代化的氣流預緊實靜壓造型都“并列”存在著。根據我們長期從事車用發動機氣缸體鑄造生產的經驗，總結與研究認為：對于氣缸體類“重要”復雜薄壁鑄鐵件來說，氣流預緊實靜壓造型的“型面”高緊實度、高硬度加“背面”次緊實度、次硬度的工藝特點，最為適宜其鑄件表面高質量及濕砂型排氣性要求高等鑄造工藝技術要求。

由此，我們選用了國內某鑄機公司生產的ZB3115氣流預緊實多觸頭靜壓造型機，該機的主要特點與性能指標：砂型硬度—平面硬度≥90 HRC，垂直硬度（砂型側邊硬度）≥87 HRC；最大起模行程為300 mm+80 mm；預緊實工作壓力0.35～0.5 MPa；靜壓工作壓力（邏輯動作工作壓力）3～5 MPa。

2.4制芯工部

對于四至六缸鑄鐵氣缸體的砂型鑄造來說，其砂芯的種類多、數量多，砂芯結構也較復雜，尤其是對于干式水套氣缸體來說則更是如此［5，6］。在此，我們主要闡述其數量多的曲軸箱砂芯和結構復雜的水套砂芯或凸輪室砂芯的制芯工藝及其制芯設備（機）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間，企業原始設計要求（意圖）：曲軸箱砂芯采用樹脂自硬砂手工制芯或采用資料［7］介紹的簡易機械加手工的制芯方式，水套砂芯或凸輪室砂芯亦采用樹脂自硬砂手工制芯的制芯工藝。在經過我們多次分析和研究后認為其手工制芯存在著不足：生產效率低，勞動力成本便高；砂芯表面質量低，鑄件表面質量便低；砂芯精度低，鑄件質量及合格率便低。由此，其鑄件鑄造生產成本反而（極可能）變高等不良技術及經濟性便會凸顯。

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器制芯工藝，以確保氣缸體鑄件的表面質量（內/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在的市場需求，又能確保鑄件的穩定生產和適宜的鑄造生產成本。同時，為了降低成本，靈活應對一些不重要的小砂芯的制作，對這些小砂芯則采用了樹脂自硬砂（手工）制芯工藝。

（2）制芯機的選用

（a）曲軸箱砂芯制芯機

對于曲軸箱砂芯，我們選用的是國內某鑄機廠生產的Z9406熱芯盒制芯機，該機的主要特點：在垂直分盒方式下實現一盒兩芯制作，在下盒體上作出大尺寸抽芯塊（棒），可實現制作出主要壁厚13～16 mm的中空“殼芯”；該制芯機還有價格低、制芯效果較好等優點，對于投資不太高的鑄造車間來說是一個較理想的子項目車間設計選擇。

（b）水套砂芯制芯機

對于水套砂芯或凸輪室砂芯，我們選用的是Z8040熱芯盒制芯機，該機的主要特點是：在水平分盒方式下可實現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；該制芯機亦有價格較低、制芯效果較好等優點，對于投資不太高鑄造車間來說也是一個不錯的選擇。

2.5鐵液熔煉工部

鑄造車間主要鑄造生產的產品結構為四至六缸系列鑄鐵氣缸體，產品以汽車維修市場為主，及多品種中小批量的生產方式。為確保氣缸體類復雜薄壁鑄鐵件的正常生產，成分合格的高溫鐵液是其必須保證的最為重要的基礎條件，再結合我們長期在沖天爐熔煉鐵液方式下從事車用發動機氣缸體鑄造生產的成功經驗，總結認為選用國內高溫（節能）型沖天爐便可較好地滿足該系列產品的技術要求。

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

3　結語

本文主要介紹鑄鐵氣缸體鑄造車間設計，通過上述設計及制作出的鑄鐵氣缸體鑄件產品，獲得了良好的技術經濟效益，得到了公司的良好評價，產品也得到了經銷商的一致贊同。此外，本文所介紹的相關優化設計理念，也可適用于其它相似鑄造車間的設計參考。

［1］ 薛萬龍.年產40000臺發動機氣缸體鑄件的樹脂砂鑄造車間清理工部的設［J］.中國鑄造裝備與技術，2005（3）：62-65.

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

［3］ 楊濤林.某發動機缸體缸蓋鑄造項目施工總承包安全管理［J］.中國鑄造裝備與技術，2013（5）：46-49.

［4］ 劉文川，王正端.美學及人類工效學在鑄造設計中的應用［A］.2005年中國鑄造活動周學術年論文（集），沈陽：2005.

［5］ 劉文川，向敬成.濕式缸套氣缸體砂型鑄造砂芯的優化設計［A］.2001中國鑄造活動周論文集，沈陽：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化設計［J］.中國鑄造裝備與技術，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械的優化設計［J］.中國鑄造裝備與技術，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：1411-703

盧亭玉（1975—），女，講師，主要從事機械設計與制造教學工作.