工藝孔數量及位置分布對水套排氣管鑄造性能的影響

靳寶，何紅雙，田書濤，袁彬，李喜鋒，王育紅

1.西峽縣內燃機進排氣管有限責任公司 河南南陽 474500

2.濰柴動力股份有限公司 山東濰坊 261000

1 序言

內燃機水套排氣管是大功率發動機的重要鑄鐵零部件，結構復雜，工作環境惡劣。該排氣管分內外兩層，內層排氣，外層通水，通過循環水來降低排氣歧管的溫度以及對外的熱輻射，從而降低發動機機艙的環境溫度，但是雙層的結構設計也增加了鑄造的難度。西峽縣內燃機進排氣管有限公司從2000年開始試制水套排氣管，經過20年的生產實踐，先后為上柴、康明斯、濰柴、玉柴、華柴等主機廠開發了100多種水套產品，在水套排氣管鑄造工藝的研究及生產實踐上取得了很大進展[1]。

工藝孔又稱“ 碗形塞”，是水套排氣管產品上的重要組成部分，對于產品的使用性能來說，它的存在意義不大，但是對水套排氣管的鑄造生產過程來說意義重大，若工藝孔分布的不合理，則很難保證水套產品質量。本文從排氣、清理、定位等幾方面，分析了工藝孔數量及位置對水套排氣管鑄造性能的影響。

2 排氣

水套產品是內外兩層，兩層芯子澆注過程中會產生大量氣體，這些氣體都要通過芯頭往上排出，在氣道壁凝固后氣道中的氣體從各個排氣口排出，但是水腔砂芯所產生的氣體是沒有地方排出的，因此工藝孔的數量及位置分布，決定了水套產品的澆注能否成形。圖1是澆注過程中的排氣狀態，從中可以看出發氣量很大；圖2是實際生產中水套產品因工藝孔設置太少，造成澆注不成形的例子。圖2中總長745mm的尺寸，上平面只設置了3個工藝孔，且工藝孔尺寸只有φ30mm，在澆注過程中造成嚴重的排氣不暢。

圖1 排氣管澆注過程的排氣

圖2 水套上平面結構

澆注清理后發現，上箱平面嗆火嚴重，幾乎不成形，如圖3所示。經過采取更換殼芯用砂粒度、降低砂型硬度等工藝措施，并多次更改，依然沒有解決問題，不能交貨。后經與客戶溝通，在上箱平面增加工藝孔數量（尺寸改為φ40mm，總數量由3個增加到7個），更改后進行試驗，澆注清理后徹底解決了嗆火問題（見圖4），保證了樣件交付。

圖3 清理后的缺陷鑄件

圖4 更改工藝孔后制作合格鑄件

3 清理

設置工藝孔的第二個作用就是便于清理水腔，包括清砂和清理水腔毛刺。清砂就是在澆注后，水腔砂芯潰散，芯砂從工藝孔流出來，同時在拋丸過程中，鋼丸會通過工藝孔進入水腔內部，將水腔拋丸干凈。但是如果工藝孔數量少且分布不均勻，那么鋼丸就不能很順利、均勻地進入水腔內部，不能將水腔內部的粘砂拋丸干凈。如圖5所示，水套產品這個面只有2個工藝孔，我們將拋丸后的產品這個側面整體解剖開，看內腔情況，發現局部粗糙，拋丸不到位，局部黑砂沒有拋掉，而工藝孔直對位置，拋丸的非常干凈。

圖5 只有兩個工藝孔的水套清理情況

工藝孔除了清理水腔的潰散芯砂之外，對于加工過程中一些掉入水腔內的鐵屑，最終也都要從工藝孔清理出來。因此，工藝孔的位置分布非常重要。

4 定位

工藝孔的另外一個重要作用是定位。在澆注過程中，由于水腔芯子薄，變形嚴重，這些變形就造成了水腔壁薄，水腔分型面毛刺嚴重等鑄造缺陷，而合理的工藝孔位置分布，從工藝孔出來的芯頭，在澆注過程中起到很好的定位作用，可以減少變形、壁薄、毛刺等缺陷。如圖6所示的水套產品，管身其他位置的工藝孔位置基本合理，澆注后沒有出現起皮、嗆火等問題，但是在靠近法蘭位置圈內上箱斷芯嚴重，因為從斷芯位置到最近的工藝孔距離有100mm左右，沒有工藝孔的芯頭支撐，澆注時斷芯嚴重。為此，只需在這個位置增加一個工藝孔即可。

5 結束語

對于工藝孔的位置分布問題，提出如下建議。

1）工藝孔中心的位置尺寸要合理，一般兩個工藝孔中心距離為100～130mm，工藝孔的直徑尺寸建議不要低于30mm，比如我公司2020年剛開發的新水套項目，水套外徑為200mm，使用工藝孔尺寸為φ50mm，通過近期試制結果看，徹底解決了嗆火、起皮等問題，缺陷很少。

2）盡量在端頭懸臂位置放置工藝孔，圖6中在靠近法蘭位置增加工藝孔，可以完全解決斷芯問題。

3）在水套產品的兩個端頭設置工藝孔，如圖7中六缸水套產品，在兩端位置設有2個工藝孔，這兩個工藝孔保證了兩端清理，同時從工藝孔出來的芯頭在整體組芯時起到很好的支撐作用，在專用組芯工裝上組芯，這樣的砂芯澆注的鑄件，解剖后壁厚均勻，可消除分型面毛刺，如圖8所示。

圖7 六缸水套端部工藝孔

圖8 六缸水套解剖狀態