汽車發(fā)動機缸蓋水道砂芯模射砂嘴改良與應用

羅 軍，徐鼎川，彭奇恩，周蘭菊

（1.廣東省輕工業(yè)技師學院，廣州 510315；2.東莞市精思融精密塑膠模具制品有限公司，廣東東莞 523900；3.廣東省機械技師學院，廣州 510440；4.天津電子信息職業(yè)技術(shù)學院，天津 300350）

0 引言

某企業(yè)生產(chǎn)的2.0 L和2.4 L兩種系列發(fā)動機都使用低壓鑄造所鑄造的缸蓋［1］。自從低壓鑄造缸蓋生產(chǎn)線投產(chǎn)以來，發(fā)現(xiàn)砂芯模具射砂嘴存在設計缺陷，導致水道／副水道砂芯型模具的鑲塊容易磨損，進而引起砂芯的多肉或缺肉等現(xiàn)象。當進行缸蓋鑄造時，燃室部位就會出現(xiàn)壁薄情況，這導致發(fā)動機在汽油燃燒時產(chǎn)生的壓力過大，從而導致發(fā)動機爆裂的風險。砂芯的不良率增加嚴重影響了缸蓋的生產(chǎn)，進而直接影響了發(fā)動機的生產(chǎn)品質(zhì)。

而砂型壓鑄模具在低壓鑄造車間中扮演著核心角色，尤其是在缸蓋生產(chǎn)中。模具的性能和品質(zhì)直接影響生產(chǎn)效率和成本。砂芯模具［2］的質(zhì)量和性能對整個生產(chǎn)線的有序進行至關(guān)重要。然而，在生產(chǎn)過程中，砂芯模具總會出現(xiàn)一些不良問題，如表面不光滑、變形和破裂，這些問題會增加產(chǎn)品的不良率，影響生產(chǎn)效率和成本。

為了解決砂芯模具在生產(chǎn)過程中的不良問題，國內(nèi)大都從模具預熱、排氣槽設置等方面展開研究，本文將著重改善射砂嘴的設計和使用方法［3］。射砂嘴是砂芯模具中關(guān)鍵的組成部分，直接影響砂芯的質(zhì)量和性能。

本文通過實驗方法，改良射砂嘴的設計和使用，解決砂芯模具的不良問題，顯著提高砂芯模具的質(zhì)量和性能。修復設計缺陷和提高耐磨性可以減少鑲塊的磨損情況，從而降低砂芯的不良率。優(yōu)化砂芯制作工藝可以確保砂芯的密實性和穩(wěn)定性，減少多肉現(xiàn)象的發(fā)生。加強模具的維護和保養(yǎng)可以延長模具的使用壽命，提高生產(chǎn)效率和成本效益，確保整個生產(chǎn)線的有序進行。

1 原射砂嘴問題分析

原射砂嘴設計采用了多小孔式，如圖1 所示。實物如圖2 所示，當射砂嘴對模具的鑲塊進行射砂時，模具鑲塊會受到?jīng)_擊力的集中作用，導致鑲塊容易磨損。這種磨損會導致模具鑲塊出現(xiàn)缺肉現(xiàn)象［4］，從而降低了模具鑲塊的使用壽命。當模具鑲塊磨損嚴重時［5］，砂芯的成型就會出現(xiàn)多肉問題，如圖3 所示，導致砂芯不合格。

圖1 原射砂嘴結(jié)構(gòu)

圖2 原射砂嘴實物

圖3 水道砂芯

為了解決這個問題，可以考慮對射砂嘴的設計進行改良。可以采用更耐磨損的材料制作射砂嘴，或者改變射砂嘴的結(jié)構(gòu)，使沖擊力均勻分散，減少對模具鑲塊的集中作用，從而延長模具鑲塊的使用壽命。此外，還可以加強模具鑲塊的維護和保養(yǎng)，定期檢查和更換磨損嚴重的鑲塊，以確保模具的正常運行。

然而，盡管可以更換模具鑲塊，但這會導致生產(chǎn)過程的停頓，從而影響鑄造模具的生產(chǎn)效率。為了減少停機時間和成本浪費，可以考慮優(yōu)化生產(chǎn)管理公差，確保在規(guī)定的公差范圍內(nèi)進行生產(chǎn)，如表1 所示，減少不合格品的產(chǎn)生。此外，可以加強模具的保養(yǎng)和維護工作，提高模具的使用壽命［6］，減少更換模具鑲塊的頻率。

表1 壓鑄生產(chǎn)管理公差對照表 mm

2 射砂嘴改造

針對射砂嘴設計上的缺陷，可以進行以下改造來解決問題。首先，可以通過改變射砂嘴的結(jié)構(gòu)來減少沖擊力的集中作用。可以增加射砂嘴的出口面積，使射砂嘴內(nèi)的氣體壓力均勻分散，從而減少對模具鑲塊的沖擊力。此外，還可以增加射砂嘴的長度，使射砂嘴與模具鑲塊之間的距離增加，進一步減少沖擊力的傳遞。

另外，為了降低射砂嘴的壓力，可以考慮調(diào)整壓鑄機的吹氣壓力［7］。根據(jù)壓鑄機額定吹氣壓力F ＝6.4×103N，改造前模具射砂嘴小孔壓力作用情況如下：

射砂嘴壓力過高是導致鑲塊磨損的主因；當然可以適當降低吹氣壓力，降低射砂嘴對模具鑲塊的沖擊力，雖能延長模具鑲塊的使用壽命，但是降低壓力后，導致射砂流量不足，只能延長砂芯的生產(chǎn)時間，降低了生產(chǎn)效率。

2.1 第1 次改良

為了解決由沖擊作用導致的模具鑲塊磨損問題，進行了一項試驗，將模具鑲塊的材料從普通Q235 號鋼改為熱作模具鋼4Cr5MoSiV1［8］。試驗結(jié)果顯示，在5 000臺生產(chǎn)周期內(nèi)，模具鑲塊的磨損情況有所改善。然而，當達到6 000 臺生產(chǎn)周期時，模具鑲塊仍然需要更換，這意味著改變模具鑲塊材料的策略并不完全有效。

雖然模具鑲塊材料的更換能夠延長更換周期［9］，但由于熱作模具鋼4Cr5MoSiV1 的成本較高，這種對策在經(jīng)濟上并不可行；即便模具鑲塊可以更換，但是在生產(chǎn)過程中若停機進行修理，這樣就造成了生產(chǎn)的停頓，從而影響了鑄造模具的生產(chǎn)。盡管模具保全加大了維護的力度，定期地對模具進行三次測定，發(fā)現(xiàn)NG 時可以更換鑲塊，但由于更換了鑲塊之后，又要進行試澆鑄進行品質(zhì)確認，進行一次試澆鑄，需要鑄造5 個缸蓋進行機加工確認，這樣就造成了很大的浪費，增加了成本。因此，需要尋找其他解決方案來解決模具鑲塊磨損問題。

2.2 第2 次改良

為了解決由于沖擊作用力過大而導致模具鑲塊易磨損的問題，進行了一系列改良措施。首先，取消了多小孔式射砂孔，為節(jié)約材料將原射砂嘴的多小孔板拆除，射砂孔改造為直徑為φ19 mm的單孔。通過計算分析，發(fā)現(xiàn)新的射砂孔面積為0.0283 4 m2，相比原射砂孔面積明顯增大，這樣做的目的是增加射砂嘴的噴射面積［10］，計算壓力情況分析如下：

射砂嘴壓力明顯降低，減少了沖擊作用力過于集中對模具鑲塊的磨損程度。經(jīng)過第一次試驗發(fā)現(xiàn)，模具鑲塊的使用壽命得到了一定的延長。

然而，在進行第二次試驗時，發(fā)現(xiàn)試澆鑄的30 個砂芯的合格率僅為70%。經(jīng)過檢查和分析，發(fā)現(xiàn)這是因為射砂孔面積增大后，進行壓鑄時充型壓力不足，導致砂芯的一些部位出現(xiàn)掉砂現(xiàn)象。這說明砂芯的硬度不夠，無法承受壓力。

為了解決這個問題，需要進一步優(yōu)化砂芯的材料和制造工藝。可以考慮采用更硬的砂芯材料［11］，如耐高溫陶瓷材料，以提高砂芯的硬度和耐壓性。此外，還可以改良砂芯的制造工藝，增強其結(jié)構(gòu)強度，確保在壓鑄過程中不會出現(xiàn)掉砂現(xiàn)象，導致成本上升。

2.3 第3 次改良

前兩次改良沒有獲得顯著成效，通過查閱資料發(fā)現(xiàn)，射砂壓力和射砂時間是影響砂芯品質(zhì)的兩個關(guān)鍵因素［12］。合理的射砂壓力和射砂時間可以確保砂芯的質(zhì)量和性能達到要求。如果射砂壓力過高或射砂時間過長，會導致砂芯出現(xiàn)局部收縮和裂紋等缺陷。這是因為過高的射砂壓力和過長的射砂時間會使砂芯內(nèi)部的砂料過度壓實，造成砂芯結(jié)構(gòu)的不均勻性，從而引起缺陷的產(chǎn)生。相反，如果射砂壓力偏低或射砂時間不足，砂芯的緊實度會不夠，砂芯強度會不均勻，容易發(fā)生斷裂。因此，在生產(chǎn)過程中，必須將射砂壓力控制在0.3～0.6 MPa 的范圍內(nèi)［13］，以確保砂芯的質(zhì)量和性能。此外，射砂時間也應根據(jù)具體情況進行調(diào)整，以保證砂芯的充實度和強度。通過合理控制射砂壓力和射砂時間，可以有效提高砂芯的質(zhì)量［14］，減少缺陷的產(chǎn)生，提高產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性。

為了減少沖擊作用力對模具鑲塊的磨損程度，再次對射砂孔進行了改造，將其直徑改為φ12 mm，如圖4 所示。經(jīng)過壓鑄30個砂芯后的品質(zhì)檢查，合格率為98.5%。通過計算分析，射砂作用力情況如下：

圖4 單孔φ12 mm射砂嘴結(jié)構(gòu)

射砂壓力控制在0.3～0.6 MPa 的范圍內(nèi)。改造射砂孔為φ12 mm 后，射砂作用力明顯減小，從而減弱了對模具鑲塊的沖擊作用力，提高了模具鑲塊的壽命。此外，改造后的射砂孔幾乎不會出現(xiàn)充型不足的問題，保證了砂芯的品質(zhì)。

改良后的射砂嘴如圖5 所示。通過對壓鑄鑄件表面粗糙度［15］檢驗如表2 所示和鑄件抗拆強度檢驗的分析如表3 所示，發(fā)現(xiàn)這些指標均優(yōu)于標準值。

表2 壓鑄鑄件表面粗糙度檢驗 μm

表3 鑄件抗拆強度檢驗 N／cm2

圖5 單孔φ12 mm射砂嘴實物

通過將射砂孔改造為φ12 mm，可以減小沖擊作用力并提高模具鑲塊的壽命。改良后的射砂嘴也能夠保證砂芯的品質(zhì)，從而提高了鑄件的表面粗糙度和抗拆強度。

3 實際使用效果

經(jīng)過6個多月的跟蹤使用確認，模具射砂嘴的改造取得了顯著的效果，達到了預期的目標。以下是主要成果。

（1）維修次數(shù)大幅減少。改造后的射砂嘴能夠有效減少沖擊作用力對模具鑲塊的磨損，從而降低了維修的頻率，提高了模具的生產(chǎn)可動率。

（2）品質(zhì)得到大幅提高。通過改造射砂孔為φ12 mm，砂芯的充型不足問題得到了解決，經(jīng)檢驗品質(zhì)得到了顯著提升。

（3）設備停機次數(shù)減少。由于改造后的射砂嘴能夠減小沖擊作用力，模具鑲塊的壽命得到延長，從而減少了設備的停機次數(shù)，提高了生產(chǎn)效率。

（4）維修成本降低。改造后的射砂嘴能夠減少模具鑲塊的磨損程度，延長了更換的周期。以往每5 000 臺就需要更換模具鑲塊，而現(xiàn)在延長到了9 000 臺才需要更換，從而降低了維修成本。

（5）減少了模具保全人員的維修工時。由于維修次數(shù)減少，模具保全人員的維修工時也相應減少，提高了工作效率［16］。

根據(jù)如表4 所示的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，單孔式射砂嘴的使用明顯降低了不良品率。這主要歸功于改良后的射砂嘴能夠延長模具鑲塊的使用壽命，減少了模具維修組更換的頻率和所需工時［17］。這一改良確保了缸蓋的批量生產(chǎn)，并使每月的經(jīng)濟效益提高了5%。

表4 單孔式射砂嘴投入使用前后效益對照

4 維護措施

為了確保技術(shù)改造的成果得以持續(xù)，加強了模具管理，并制定了相關(guān)的保養(yǎng)制度。定期進行檢查和三次元測定，以及發(fā)現(xiàn)任何磨損跡象，立即按計劃進行維修。通過這些措施，模具故障對生產(chǎn)的影響已降至最低，為順利進行生產(chǎn)奠定了基礎。

針對砂型鑄造的缺陷［18］，如缺肉和多肉，除了射砂嘴不良和模具鑲塊磨損之外，排氣不良也是造成這些問題的原因。下面對排氣不良造成產(chǎn)品缺陷的種類和原因進行分析，并提出相應的對策。

（1）分型面間隙堵塞［19］：模具合模時會存在一定的間隙，一般分型間隙為0.08～0.15 mm，活動零件間隙為0.1～0.2 mm，這些間隙用于排氣。如果分型面上存在氧化物或其他雜質(zhì)，氣體就無法順利排出，從而導致缺肉問題。如果缺肉是由于分型面排氣不良造成的，可以使用氣動鋼絲刷清掃分型面。

（2）排氣槽堵塞：在分型面或型腔零件的組合面上，設計了排氣槽［20］，它既能排氣又能蓄氣。如果排氣槽排氣不良，也會導致產(chǎn)品缺肉。通常，排氣槽堵塞的原因是脫模劑和氧化物黏附在上面，導致鑄型時氣體無法順利排出。在這種情況下，可以使用射砂槍對堵塞部位進行射砂，清除雜物。

（3）排氣塞堵塞［21］：排氣塞是金屬模具常用的排氣設施。當需要在一個平面上設置多個排氣塞時，可以使用排氣環(huán)來替代。排氣環(huán)設計在型腔的氣阻處或大平面上，以確保順暢的排氣。當排氣塞在生產(chǎn)一定數(shù)量的制品后出現(xiàn)堵塞時，主要原因是脫模劑和砂粒粘附在表面，導致排氣不良。這種缺陷在產(chǎn)品上非常明顯，解決辦法是立即更換新的排氣塞。

通過以上的對策，能夠有效應對排氣不良所導致的產(chǎn)品缺陷，確保砂型鑄造的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語

為了確保砂型壓鑄模射砂嘴的正常運行和延長使用壽命，本文提出了一系列維護和改良措施。通過定期清潔、檢查和修復、潤滑和保護、控制工藝參數(shù)以及儲存和保管等維護措施的實施，可以保持砂型壓鑄模射砂嘴的良好狀態(tài)，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。此外，通過改良砂型壓鑄模射砂嘴的設計和應用研究，可以進一步優(yōu)化其性能，提高生產(chǎn)效率，降低能耗和環(huán)境影響。

然而，需要注意的是，砂型壓鑄模射砂嘴的改良和應用研究的實際使用效果會受到多種因素的影響，需要根據(jù)具體情況進行綜合評估和調(diào)整。因此，維護和改良砂型壓鑄模射砂嘴是砂型壓鑄工藝中不可忽視的重要環(huán)節(jié)，對于提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。

未來的研究可以進一步深入探索砂型壓鑄模射砂嘴的優(yōu)化設計和應用技術(shù)，以滿足不斷發(fā)展的工業(yè)需求和環(huán)境要求。通過不斷改良和創(chuàng)新，可以進一步提高砂型壓鑄模射砂嘴的性能和可靠性，推動砂型壓鑄工藝的發(fā)展。