干式缸套機體水腔芯整體制芯工藝研究

王成宗，陳國清，王 超，王新慧

（濰柴動力股份有限公司，山東濰坊 261061）

0 引言

發動機在運轉過程中，形成燃燒室的機體缸套、缸蓋、活塞在周期性高溫環境下，材料強度和硬度下降，需要通過循環冷卻水帶著部分熱量，使其穩定在合理的工作溫度[1]。但冷卻水分布不均，可能導致各缸冷卻不均勻，各缸工作狀態不一致。尤其是薄壁缸套，冷卻不均可能引起不規則形變，進而造成漏氣、油耗高等性能損失[2]。本文以多缸柴油機的冷卻水腔為研究對象，介紹了兩種冷卻水腔鑄造成型工藝以及優缺點對比，整體成型的水腔能更好地分配冷卻液流量和流速，利于發動機機體缸套均勻冷卻。

1 產品結構簡介

該型號柴油機機體為干式缸套，長×寬×高尺寸為770 mm×500 mm×400 mm，鑄件基本壁厚5 mm，材料要求本體（瓦口處）抗拉強度不小于250 MPa。整機冷卻水經水泵→機油冷卻器腔→布水腔→機體水套腔→氣缸蓋水腔→回水腔→水泵的循環。

機體中的冷卻水由機冷腔進水口進入布水腔，通過對布水道與水套腔之間串水孔的形狀和面積控制進入水套的冷卻水的流量和流速，完成對機體缸套的均勻冷卻，如圖1 所示。

圖1 機體中冷卻水分布示意圖

完成水腔結構設計后，進行冷卻水流模擬，確認機體水套中冷卻水的流速、流量和熱交換效果，如圖2 所示。

圖2 機體水套流速流線圖

圖3 布水腔芯

圖4 水套芯

從模擬結果來看缸套的冷卻效果與流經缸孔四周冷卻水的流速和流量有直接關系[3]。整個水腔的形狀和尺寸都會影響到水套內冷卻水的流量和流向，其中作為冷卻水分流和導向閥門的串水孔尤其重要，通過合理設計串水孔的面積和形狀就可以合理分配各缸冷卻水量，實現多缸發動機燃燒室均衡冷卻。同時串水孔的面積和形狀也影響到鑄件成型工藝，成為產品設計和工藝開發討論的焦點。

2 工藝設計

該機體共有包括大缸芯、前后端芯、水套芯、水道芯、進水腔芯、桁架芯、油道芯、上蓋芯等共15 種17 顆砂芯。為實現產品輕量化，砂芯結構形狀復雜且薄弱，制芯組芯難度大，砂芯變形或定位偏差都會造成產品壁厚尺寸超差。

根據生產線布置采用立組平澆工藝、潮模砂造型、水套芯熱芯盒制芯、其余砂芯采用冷芯盒制芯，單獨浸涂整體組芯。

其中水腔芯（水套芯+布水道芯）制芯組芯工藝是工藝焦點，綜合產品的功能性和鑄造工藝性，此次工藝開發針對水腔成型方式，制定了兩種工藝方案：分體制芯工藝和整體制芯工藝。

2.1 分體制芯工藝

沿用以往類似產品的工藝設計，采用分體制芯，即將水腔分為布水腔和水套腔兩部分，分別進行制芯、浸涂、組芯等生產工序。

布水道芯采用冷芯制芯工藝（陶瓷砂+再生砂），上下兩開模，一模四顆，單個砂芯重量2.9 kg。

水套芯采用熱芯制芯工藝（熟料砂+鉻鐵礦砂），上下左右四開模，一模一顆，單個砂芯重量4.0 kg。

組芯過程：水套芯由人工預組在大缸芯組上形成主體芯組，整體浸涂、烘干。布水道芯由人工浸涂、單獨烘干，人工提前下入下砂型中；主體芯組由下芯機將整體下入下砂型中，實現布水道芯和水套芯芯頭之間的配合。通常會出現以下兩種情況：

（1）芯頭配合間隙過小將有擠砂或斷芯風險，導致鑄件報廢。

（2）芯頭配合間隙過大將增大壁厚產生批縫，批縫清理難度大，產品質量難以保證。

為避免芯頭配合間隙偏差出現上述兩種情況，在串水孔兩種砂芯間設計制作隨形石棉墊，由人工粘放在布水腔芯對應位置，如圖5 所示。再由人工將帶有石棉墊的水道芯放入下砂型中，如圖6 所示。當主體芯組下入砂型時，水道芯與布水道芯配合芯頭會壓縮石棉墊抵消間隙，石棉墊厚度4 mm，壓縮比60%，因石棉為耐高溫材料，可有效阻擋鐵水浸入間隙形成批縫。

圖5 石棉墊粘放圖

圖6 水道芯下芯過程

石棉墊可以很好地解決芯頭間隙偏差問題，同時也存在以下隱患。

（1）因石棉墊為柔性材質，粘放和下芯的過程中很容易出現偏移，一旦產生偏移，將在鑄件上出現一邊批縫一邊凹槽的情況，嚴重影響到串水孔形狀，如圖7、8 所示。

圖7 鑄件水腔橫截面

圖8 鑄件串水孔橫截面

圖9 水腔整體芯

鑄件清理時沒有足夠的清理空間，串水孔批縫殘留無法徹底清除。

（2）為簡化生產工序，避免石棉墊錯放，石棉墊的形狀和面積要盡可能統一，這就要求串水孔形狀一致。但無法實現以串水孔面積控制的冷卻水流分布的設計目標。

2.2 整體制芯工藝

整體制芯工藝是將布水腔芯和水套芯兩種砂芯合二為一，保留設計仿真最佳的串水孔結構。工藝過程以水腔整體芯參與制芯、組芯、浸涂、烘干、轉運、下芯等所有生產工序，取消了原布水腔芯制芯、浸涂、轉運、下芯和粘放石棉墊等工序。

該方案執行關鍵在于整體水腔芯制芯，為保證水套內腔質量，整體芯采用高強度覆膜砂熱芯盒制芯工藝，上下左右四開模，一模一顆砂芯。布水腔芯和水套芯之間的狹小結構只能上下開模成型，水套芯最小厚度5 mm，增加開模斜度后最小厚度減小至4.8 mm，在芯盒內部形成的狹小、大包絡的結構，很容易出現砂芯斷裂，卡在狹縫中難以清除。

針對脫模困難問題，對芯盒結構設計進行3種分型結構受力分析。

結構1“上下均分”：即上下芯盒相同包絡，理論脫模力相同，砂芯隨機留在上芯盒或者下芯盒，無法實現設備預定取芯功能。

結構2“上大下小”：即上芯盒包絡大、下芯盒包絡小，可以實現砂芯保留在上芯盒，但增加了上頂芯難度。

結構3“上小下大”：即上芯盒包絡小、下芯盒包絡大，為實現砂芯保留在上芯盒，在下芯盒設計下頂芯機構，在上下芯盒開模時，同步向上施加推力，使砂芯均勻受力，順利從下芯盒脫模；因上芯盒包絡變小，上頂芯難度相應減小[4]。

采用整體制芯工藝生產的機體鑄件，串水孔結構完整、形狀圓滑，無需清理，可減輕勞動強度，提高生產效率，更重要是差異式串水孔實現了產品按需分配冷卻水的功能需求。

對比兩種制芯工藝的生產過程和鑄件質量，整體制芯工藝在生產過程和產品結構方面都明顯優于分體制芯工藝，如圖10 所示。

圖10 兩種制芯工藝鑄件串水孔對比圖

3 結論

整體制芯工藝相對于分體制芯工藝具有以下優勢：

（1）簡化鑄造工藝流程：取消布水腔芯芯盒設計制作，取消單獨制芯、浸涂、烘干、存放、粘石棉墊、下芯等工序，取消串水孔批縫清理工序。

（2）提高產品質量，保證產品性能：串水孔由完整砂芯成型可保證形狀和面積完全符合設計結構，實現發動機機體各燃燒室均衡冷卻。