鑄造用冷芯盒射砂系統結構優化

周 強，任懷喜，王 超，臧傳龍

(濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061)

0 引言

冷芯盒工藝是目前普遍使用的鑄造砂芯成型工藝，該工藝是借助于射芯機，將樹脂黏結劑和芯砂按一定比例混合后，利用壓縮空氣將混合料射入芯盒中，在氣體硬化劑的作用下迅速硬化成形，從而形成所需要的砂芯。我公司目前應用的是三乙胺氣霧冷芯盒法，其優點是砂芯強度高、發氣量低、潰散性好，有利于保證鑄件質量；常溫下即可硬化且硬化速度快、生產效率高、不易變形，生產成本低。本文根據公司現有冷芯盒模具使用現狀，就冷芯盒工裝結構優化進行經驗總結，為工裝設計及制作、工裝使用及維護積累一些經驗。

1 射砂系統

射砂系統的主要作用是將芯砂射入芯盒內，射砂口不僅是芯砂進入芯盒的通道，還要滿足吹氣硬化的要求。冷芯盒制芯應以較大的射口、較低的射砂壓力制取砂芯。為保證砂芯質量，射砂嘴一般盡量布置在平面處，避免設在斜面和曲面處，在砂流很難進入的狹窄地帶也應盡量布置射嘴[1]。但是對于一些射砂工藝性不友好的砂芯結構，要想得到形狀完好的砂芯，需要對射砂系統做出一些改進。

2 狹小位置砂嘴結構優化

在冷芯盒模具設計過程中，射砂嘴大小一般應不小于?12 mm，若射砂嘴直徑小于12 mm，日常生產過程中射嘴堵塞情況較為頻繁，操作者需要經常清理射砂嘴，嚴重影響制芯效率。但往往有一些砂芯存在薄弱位置，導致芯盒相應位置空間狹窄，并且由于射砂嘴距離型腔內壁較近，射砂時對模具沖擊較大，模具磨損較大，為保證砂型質量，模具需定期修復[2]。射砂和固化過程中易排氣不暢、芯砂流動性較差，射出的砂芯多有虛砂、孔洞缺陷，需要后期通過修補膏進行修補后使用，不僅會影響生產效率，增加生產成本，并且修補膏在澆注過程中還可能脫落形成砂眼缺陷，對產品質量帶來較大隱患。

這種情況下，僅僅通過排氣系統優化，往往難以達到理想效果。為了確保射砂后砂芯完整緊實且硬化效果好，還需要對射砂嘴的布置進行優化，增加過砂量。因此可根據砂芯的形狀，將射砂嘴設計為U 型結構，如圖1 所示，在同樣的砂芯面積內，若射砂嘴布置為常規結構，射砂嘴直徑僅為9 mm，若改為U 型結構，可將射砂嘴徑向距離減小為5.5 mm，雖然徑向距離減小，但射砂面積增大220%，并且由于射嘴避開型腔一定距離，能有效減少芯砂對模具的沖擊磨損，延長模具使用壽命。

圖1 射砂嘴結構優化

圖2 彎道型射砂通道

3 射砂通道結構優化

在對新產品進行工藝設計時，往往根據砂芯的長寬尺寸及重量進行制芯機的選取，一般情況下砂芯應布置在射砂面積范圍內，避免因射砂不實等造成砂芯質量缺陷。但對于一些細長型砂芯，砂芯體積較小，但砂芯長度較長。若根據砂芯長度選擇大型制芯機，這往往會造成制造資源的極大浪費，導致制造成本大幅增加。若是通過更換射芯機射砂罩，以增大射砂面積，但是設備改造所需費用使成本增加。因此當砂芯長度略超過制芯機射砂面積時，可以通過設計彎道型射砂通道，將芯砂引入邊緣位置的射砂嘴內，保證砂芯的邊角位置完整緊實，但需注意，進砂口應布置在射砂罩密封條內，避免進砂口被遮擋影響射砂效果。此外，彎道型射砂通道內拐角位置應盡量圓滑，保證砂路順暢，避免形成死角位置。

4 射砂嘴布置方式優化

發動機缸體的主體芯砂芯一般由主體芯制芯中心制芯，目前主體芯制芯中心一次射砂能力為110～130 L。為減少發動機零部件數量，目前機體多集成齒輪室結構，即機體后端與齒輪室為一體，導致后端芯的質量為普通主體芯的1.77 倍，一次射砂量往往不能滿足需求，多數廠家會在制芯過程中通過兩次射砂來解決射砂不實的問題[3]。但是，二次射砂會增加制芯時間，影響制芯效率，并且二次射砂與一次射砂形成的砂芯會有明顯的斷層，砂芯質量較差，因此，如何提高后端芯制芯效率與質量成為制約生產的瓶頸工序。

通過觀察生產現場發現，射砂結束后射砂板上殘留的芯砂分布不均勻，中間兩個砂芯上方殘留的芯砂較多，后端芯上方殘留的芯砂較少。工裝制作初期為便于備件管理，將主體芯射砂嘴直徑統一為均一尺寸，這種均一尺寸的射砂嘴適用于同一工裝內主體芯體積相差不大的情況。對于集成齒輪室的主體芯來說，由于后端芯與其他大缸芯體積相差較大，均布統一規格的射砂嘴是不適用的。我們給出的解決方案是優化射砂嘴排布，調節芯砂在射砂過程中的流動傾向。因此我們將中間芯的射砂嘴直徑減小，后端芯射砂嘴直徑增大進行驗證，如圖3 所示。經過實際驗證，射砂嘴尺寸調整后，配合排氣系統優化，可以通過一次射砂得到形狀完整的后端芯。此外，也可以通過減少中間兩顆砂芯的射砂嘴達到同樣的效果。

圖3 射砂嘴調整

5 結語

冷芯盒在密封條件下制芯時，芯砂要完全填充型腔，并保證芯砂與硬化氣體充分接觸，因此冷芯盒的射砂系統設計的合理性決定了砂芯的質量。合理設計冷芯盒的射砂系統，有利于砂芯的緊實及硬化效果，從而得到良好的砂芯。以上關于冷芯盒射砂系統工裝結構的優化措施使用后，有助于保證砂芯質量及鑄件質量，具有一定的借鑒和推廣價值。