績效理論在曲軸箱芯熱芯盒優化設計中的應用

劉光清，馮文榮，劉文川

（1.南充職業技術學院 機電工程系，四川南充 637100；2.西南石油大學 工程學院，四川成都 610500；3.西南內燃機配件總廠，四川南充 637100）

0 前言

在機械制造領域，車用發動機氣缸體類鑄鐵件無疑是世界民用機械產品中生產難度最大的典型復雜薄壁鑄件，也是目前全世界生產量最大的鑄鐵件，而其氣缸體的曲軸箱芯相應亦是制作的最大量之砂芯。該類砂芯質量好壞，直接影響著氣缸體類鑄件的（內在）表面質量及其鑄件產品的生產成本，故而其制作工藝中熱芯盒的優化設計通常是相關鑄造工作者長期研究的主要課題之一。

對于氣缸體曲軸箱芯及制作工藝，雖已有較多的資料[1-5]對其進行研究，但因研究對象不同,研究尚有不全之處。根據筆者團隊近幾年來對國內較多的相關鑄造廠及專業鑄造模具制作公司（以下簡稱模具公司）的考查了解和研究發現：一些相關熱芯盒的結構設計尚有較多不盡人意、不盡合理之處。故在此，筆者根據所在團隊近幾年來共同研究、探索出的心得，針對目前國內某廠生產的Z9406 制芯機制作濕室水道氣缸體（此處以一種六缸氣缸體為典例）曲軸箱芯的熱芯盒作一分析、討論，供同行參考。

1 整體式+懸空式結構存在的不足

按照一些傳統的設計理念，對于氣缸體曲軸箱芯在Z9406 類射芯機上用酚醛樹脂覆膜砂（抑或用呋喃樹脂砂）熱芯盒工藝制作，通常設計圖1a所示的“整體式+懸空式”結構的方案，制作氣缸體曲軸箱類砂芯在生產實際中主要出現的缺點有以下幾個方面。

1.1 整體式結構，芯盒排氣不暢

傳統的設計理念是盡可能地使得砂芯熱芯盒的結構簡單、制作周期短、制作成本低。由此，設計制作出了圖1a 所示的“整體式+懸空式”結構氣缸體曲軸箱類砂芯的熱芯盒。因其是“整體式”結構，一些較深結構出排氣不順暢，于是一些模具公司便在這些排氣不暢之處安裝較大量的“排氣塞”，由此，使得鑄造廠的熱芯盒的維護工作量大幅度增加。

圖1 整體式+懸空式熱芯盒結構（非優化結構）

1.2 曲軸箱芯質量均一性差

因其“整體式”熱芯盒的一些較深結構出排氣不順暢，在每一輪（組）排氣塞使用的前數十件至數百件砂芯的表面質量及其均一性尚有一定的“保障”；而在其后,便因排氣塞被“樹脂油”逐漸阻塞后，砂芯的表面質量及其均一性便逐漸變差，以致嚴重影響其砂芯的正常制作，難以保證鑄件的表面質量的技術要求，乃至氣缸體的正常生產。

1.3 懸空式結構，砂芯出盒不順暢

圖1 所示的“懸空式”結構氣缸體曲軸箱類砂芯的熱芯盒，其取芯程序是：左右盒體開盒（砂芯懸空）—下頂芯板頂起下盒體—手工取芯。因砂芯有一段懸空距離，下盒體頂動砂芯是有碰撞的過程及其空行程：碰撞時會撞壞砂芯，空行程使得“制作砂芯的周期”略有增長。由此，使得砂芯出盒不順暢。

1.4 熱芯盒維護幾率高，制芯效率低

圖1 所示的“整體式+懸空式”結構氣缸體曲軸箱類砂芯的熱芯盒，因大量的“排氣塞”易阻、砂芯出盒不順暢以及砂芯質量均一性差等因素，致使熱芯盒的維護時間增長，工作量增加，砂芯表面質量差的修復過程而使得熱芯盒的制芯效率偏低。而此結構僅僅是熱芯盒設計制作稍簡單而已。

2 鑲塊式+漏模式結構點

根據筆者所在團隊多年服務于工廠的生產實踐經驗總結，對圖1 與圖2 結構比較分析及研究認為：圖2 所示結構方案比圖1 所示結構方案雖然存在著熱芯盒設計制作略微復雜的缺點，但其可以較好地克服圖1 所示方案存在的諸多不足，應是更為優化的結構方案。

圖2 鑲塊式+漏模式熱芯盒的優化結構

要使圖2 所示方案順利實現或更為優化，還須應用績效技術理論、人類工效學及美學等新理念指導其合理的、正確的模具方案設計：其一，要有芯盒本體的績效優化設計；其二，排氣結構鑲塊的合理設計；其三，漏模式下盒體的優化設計；其四，開盒方式的優化設計等。其需要注重的內容或即主要實施的工藝方案和措施具體闡述如下。

2.1 芯盒本體結構的優化設計

其熱芯盒本體結構的優化設計原則通常是：在主要保證加熱管布置及熱量分布均衡性良好、蓄熱量適宜及使用壽命較高的條件下，盡可能使得芯盒的本體結構的用材合理、適宜的大小尺寸和重量，以盡可能降低砂芯制作過程中的動能消耗和熱能消耗等。

遵循上述優化設計原則，設計出的圖2 所示曲軸箱芯的鑲塊式+漏模式結構的熱芯盒本體結構，其主要特征是：800mm×678mm×135mm（長×寬×厚），加熱管9 根。比之于圖1 所示曲軸箱芯整體式+懸空式結構熱芯盒的傳統結構的800mm×715mm×155mm，其左右盒體的材料用量減少了20%～25%。而經過工廠的生產實踐表明：其結構合理、使用簡捷、蓄熱量適宜、完全滿足了該類砂芯的正常制作，有效地降低了砂芯制作過程中的動能消耗和熱能消耗等。

2.2 排氣結構鑲塊的合理設計

圖3b 所示定位模塊（件號1），為氣缸體曲軸箱芯相互之間“組合”用定位工藝芯頭結構的“定位模塊”及其“鎖緊孔模”的組合模塊（即工藝性鑲塊）。而傳統設計理念通常又將其設計制作為圖3a所示的“定位模塊”和“鎖緊孔模”分體的結構（圖中的件號1、件號2），其主要存在著本為“鑲塊式”的結構：但一方面，沒有對芯盒內腔的“排氣”功能；另一方面還使得“鎖緊孔模”有易松動和使用壽命短的不足。

用上述績效技術等設計理念，將圖1 中件號5、件號6 所示的兩個零件,優化設計制作為圖2所示的曲軸箱芯的鑲塊式+漏模式的熱芯盒中“定位模塊”及其“鎖緊孔模”的組合模塊——件號5(即一個零件)，其鑲塊及其排氣結構可詳見圖3b所示，主要特點如下。

2.2.1 零部件加工簡化

圖3b 所示的件號1 及其芯盒本體上的安裝結構——過孔（即：鑲塊緊定用標準件的過孔式安裝結構），比之于圖3a 所示的“定位模塊”和“鎖緊孔模”分體的結構的件號1 和件號2、及其芯盒本體上的安裝結構之螺紋孔，其相應零部件的加工工時及加工成本要減少40%～50%，大幅地降低了該類零部件及機構的加工成本。

2.2.2 材料用量少

圖3b 所示的結構比之于圖3a 所示的結構，其金屬材料用量少20%～30%左右；較大幅地降低了該類零部件及機構的用料成本。

2.2.3 排氣效果較好

圖3b 所示的鑲塊及其排氣結構，將其模塊與芯盒本體接觸面積的三分之一設計制作出排氣槽結構，如圖3b 的排氣間隙e 與s 的“空間”（其e值以0.10～0.15mm 為宜，s 值以0.30～0.50mm 為宜）。由此，利用鑲塊的“自然”間隙可達到芯盒內腔較好的排氣效果。

2.2.4 組合模塊使用壽命長

圖3b 所示的“定位模塊”及其“鎖緊孔模”的組合模塊,比之于圖3a 所示“定位模塊”和“鎖緊孔模”分體的結構：既使得其安裝及維護（修）簡單和方便，又因其零件的結構強度能使其使用壽命較大幅度地延長，同時還減少了模塊的維修工作量、而在一定程度上提高了熱芯盒的制芯效率。

圖3 六缸氣缸體曲軸箱芯熱芯盒工藝性鑲塊及其排氣結構的優化

同理，對于圖2 中的件號1 所示的其本身便是以排氣為最大目的的“結構性”鑲塊、及其鑲塊緊定用標準件的過孔式安裝結構，因其設置在芯盒的最高處，同樣將其模塊與芯盒本體接觸面積的三分之一設計制作出排氣槽結構，三分之二的接觸面積用于傳熱。這樣既可以保證砂芯的“固化”正常，又可以很好地排出芯盒內腔的空氣、并較大幅度地減少了排氣塞的安裝數量，有利于砂芯的射實——可使得砂芯的表面質量較高、均一性良好。

2.3 下盒體漏模式結構優化設計

用上述績效技術等設計理念，將圖1 中件號7 所示的不帶砂芯結構之下盒體，設計制作為圖2所示的件號7 的帶砂芯結構之下盒體和件號12的模底座，其詳細結構可見圖4 所示，主要特點如下。

圖4 下盒體及其漏模取芯方式結構簡圖

砂芯底部結構（極少一部分——僅僅底部的0～15mm 的一個芯頭斜面）直接在下盒體上形成，左右盒體開盒后、砂芯在漏模（板）式結構的下盒體（件號7）留置，下頂芯板頂起漏模式下盒體的行程只需15～20mm。由此，具有左右盒體的開盒行程小（僅為圖1 開盒結構的20%～30%的行程）、下頂芯的行程短（僅為圖1 結構下頂芯的40%～50%左右）。從而，既克服了圖1 結構砂芯存在的被撞壞、砂芯出盒不順暢等不足；又較大幅度地提高了砂芯的制芯效率。

2.4 開盒方式及結構的優化設計

圖1 所示的熱芯盒開盒結構，為傳統的左、右背板式開盒結構和方式，其左右背板材料用量多，亦通常對射芯機要求有較大力量的左、右開模機構，以滿足左右背板“懸空”背起左右盒體、以致實現其長距離的正常開、合模的制芯工藝要求。

用上述績效技術、人類工效學及美學等設計理念指導設計、制作出的圖2 所示曲軸箱芯之鑲塊式+漏模式結構的熱芯盒方案，對于其開盒方式及結構也是一個極大的優化靚點：左、右盒體用壓板（圖2 中的件號2）及其連接件的牽引下，在底框上的耐磨“軌道上”運行，只需射芯機正常的左右開模機構有開、合盒體的“牽引力”便可，免除了左右背板“懸空”背起左右盒體的力量要求。由此，一方面又減少了制作模具的材料用量、圖2 中所示的8～12 個壓板的材料用量僅為圖1 中所示的左、右背板材料用量的5%～10%，使得其較大程度地降低了該類零件的制作成本；另一方面，大幅度地減小了射芯機左右開、合模結構的要求、降低了制芯過程中的動能消耗、即一定程度上降低了砂芯的生產成本。

綜上對比分析，不難看出圖2 所示的曲軸箱芯之鑲塊式+漏模式結構的熱芯盒方案，比之于圖1 所示的所示曲軸箱芯整體式+懸空式結構熱芯盒的結構方案，可謂是有事半功倍之效，故而因圖2 所示的濕室水道六缸氣缸體曲軸箱芯熱芯盒結構方案為優化的設計方案。

3 結語

綜上所述不難看出，不同的設計理念對相同砂芯在相似射芯機上的熱芯盒設計所表現出結果有較大的不同。由此可見，其氣缸體曲軸箱芯的制作工藝的熱芯盒設計，的確應當是鑄造工作者長期研究的工作和課題。

根據筆者近年來所在團隊的研究心得認為，在Z9406 射芯機上，還有如：底框、頂芯桿、導向桿、耐磨塊結構[6，7]等一些附件可以做到比一些工廠或公司所慣用的一些“傳統”結構更為優化的設計，以使該類射芯機相應熱芯盒在設計、制作、安裝、應用及其維護等過程更為簡便，以及使其盡可能地既降低模具的制作成本，又降低砂芯的生產成本。總之，熱芯盒的設計技術亦需要與時俱進，需要行業工作者大家努力提高。只有這樣，才能使熱芯盒的制作不斷優化、創新，以使其更趨可靠、更高的性價比。