WP7 柴油机整体式气缸盖立浇铸造工艺设计

陈玉英，梁 泉，明金元，齐亚平

（潍柴动力（潍坊）铸锻有限公司，山东潍坊 261001）

WP7 柴油机是潍柴独立开发的一款新型柴油机，主要配套城市客车和中重型卡车，是潍柴未来几年的战略产品。WP7 柴油机采用整体式气缸盖，每缸四气门，喷油器中间垂直布置，与分体式缸盖相比主要有以下优点：六缸一盖，强度更高；缸心距变小，大大缩短发动机长度；进排气同侧，结构更紧凑。但整体式的气缸盖结构复杂、技术要求高、铸造工艺性能相对较差，同时对铸件尺寸、内在组织致密性、内腔清洁度要求很高。另外，整体式气缸盖在潍柴首次应用，铸件工艺设计无任何借鉴经验，这些均给铸造工艺设计带来了很大的难度。

1 气缸盖传统平浇铸造工艺与立浇铸造工艺对比

1.1 平浇铸造工艺的优点

（1）内浇道位于铸件底部，金属液进入型腔平稳，对型、芯冲击力小，金属氧化性小，有利于型腔内气体排出，可以避免因冲击、飞溅和氧化而导致的铸件缺陷。

（2）平浇工艺可以把缸盖上平面的形状在上模形成，不用单独制作砂芯，减少了砂芯的数量，简化了组芯工艺。

1.2 平浇铸造工艺的缺点

（1）型腔顶面较宽，液态金属在充填铸型和凝固过程中，与铸型（芯）发生热作用，顶面受铁液烘烤的时间越长，铸型（芯）产生膨胀和应力变形越大。浇注过程中产生的机械作用，使型砂（芯）表面砂粒或涂料层在与流动的液态金属摩擦或动压力作用下脱落，形成砂眼和起皮夹砂等铸造缺陷。

（2）在高温铁液浮力作用下，砂芯受力形成“悬臂效应”。铸件内腔的水套芯受铁液浮力作用大，砂芯易产生变形甚至断裂，形成偏芯、夹砂等缺陷。

（3）平浇工艺多采用底注方式浇注，缸盖上下平面温度场差别较大，而缸盖的宽度尺寸一般都是高度尺寸的1.5 倍左右，导致高度方向的刚性较差，铸件容易弯曲变形。

（4）不便于设置补缩冒口。

（5）受砂箱内壁长度和宽度尺寸的限制，平浇方式在砂箱内布置的数量较少，原材料消耗大，不利于合理安排生产和降低成本。砂箱高度方向不能充分利用，生产效率也不高。

1.3 立浇铸造工艺的优点

气缸盖立浇工艺是铸件立式面对面布置，两组砂芯在组芯、浸涂、烘干后用螺栓把紧锁芯，然后将整体芯组下到砂型中。立浇工艺相对于传统的平浇工艺来说，有以下优点：

（1）立浇工艺的浇注液面一般是从下往上升，有利于芯腔内的渣和气体排出，方便设置补缩冒口，便于铸件补缩。

（2）在高温铁液浮力作用下，铸件内腔的水套芯不易发生变形、断裂等现象。

（3）铸件尺寸全部由砂芯形成，尺寸精度高，铸件表面质量好，粗糙度低。

（4）能够充分利用砂箱的空间，铸件布置紧凑，生产效率高。

2 WP7 气缸盖立浇工艺的设计

2.1 砂芯工艺设计

WP7 气缸盖采用的是四气门六缸连体式的结构(见图1)，铸件外轮廓尺寸为861×269×120（mm），毛坯质量约87 kg/件，其内腔结构紧凑、复杂，同时也是高强度、薄壁灰铸铁件，材质为HT280，最小壁厚≥3 mm。

图1 WP7 气缸盖毛坯

根据产品结构设计砂芯，WP7 气缸盖所需砂芯分别为底盘芯、上盖芯、上水套芯、下水套芯、进气道芯、排气道芯、串水孔芯、长条短边芯等。气缸盖的上、下水套芯是形成水流空腔的位置，其结构复杂，砂芯薄壁位置多，在射芯过程中很容易不饱满。同时，上水套为整体式，长度方向尺寸较大，在起模或搬运过程中易断裂、变形。根据多年经验设计砂芯芯头结构和定位方式，上水套芯结构详见图2，该结构使砂芯定位更准确，且为了利于内腔气体的排出，在几处主要排气的位置设计成如图3 结构。由于水套结构复杂壁厚较薄，必须有足够的强度，所以水套芯用高强度覆膜砂热芯工艺，其余砂芯用冷芯工艺。

2.2 组芯流程设计

图2 整体式的上水套芯

图3 砂芯排气结构

生产一个WP7 气缸盖毛坯共需11 种砂芯，首先水平组单个芯组，然后将两个芯组合为一个整体的芯组，最后将整体芯组放入砂型中。水平组芯即人工在组芯线上的底盘芯内依次放置串水孔芯、下套芯、进排气道芯、上套芯、长条短边芯组，然后用浸涂机器人对组好的芯组和上盖芯进行整体浸涂，之后在表干炉中烘干，组好的单个芯组详见图4 和图5。砂芯出炉后，利用砂芯转运机械手将上盖芯扣在底盘芯组上，再由另一机械手分别将2 个芯组放入组芯胎具中进行二次组芯，用螺栓把紧，完成组芯后的整体芯组详见图6。

图4 底盘芯组

图5 扣上上盖芯后的单个芯组

图6 用螺栓把紧后的整体芯组

2.3 浇注系统设计

砂箱长宽高为1 200×1 000×320（mm），一个型腔两件铸件（如图7 所示）。浇注系统按照内浇道在铸件上开设位置不同分类，有顶注式、底注式、中间注入式、阶梯式、垂直缝隙式、复合式浇注系统。

图7 砂箱型腔的布置

顶注式浇注系统优点是浇注系统结构简单、紧凑，便于造型且节约金属。金属液容易充满型腔，金属液温度上高下低，凝固顺序自下而上，有利于发挥冒口的作用进行铸件补缩。缺点是对铸型底部冲击大，容易造成冲砂；金属液易产生飞溅，浇注时液流落下造成金属液翻腾，不利于浮渣排气。对于立浇工艺，顶注式浇注系统还存在以下缺陷：两组的砂芯之间不可避免的存在间隙，而且整个浇注系统很难被压砂环封闭，这样会造成铁液外溢，披缝铁包围整个芯组，影响砂芯的排气效果，同时也浪费铁液，为以后的清理工作带来困难。立浇工艺本身使得缸盖向外型的排气槽可开位置就比较少，顶面进水的浇注系统会占用部分砂芯排气口的位置，造成砂芯排气不畅，容易产生气孔等缺陷。

底注式浇注系统充型平稳，对型、芯冲击力小，不会产生冲砂、飞溅及铁豆，氧化倾向小，有利于金属液中的渣、气及型腔内气体排出。但铸件的温度分布不利于自下而上的定向凝固及冒口补缩。

阶梯式浇注系统金属液对铸型的冲击力小，液面上升平稳，并且铸型上部的温度较高，有利于补缩，渣、气易上浮且排入冒口中，同时改善了补缩条件。

通过分析研究，一致认为采用“底注+中注”式的阶梯式浇注系统方案。底面进水的分横浇道布置在下外型，铁液由外型上的分横浇道再上升至砂芯的内浇道。为了使铁液在浇注过程中更加平稳，将过滤网布置在下型分横浇道上。

2.4 加工余量和砂芯配合间隙的设计

WP7 气缸盖立浇铸造工艺中，其所有铸件面均由砂芯形成，铸件尺寸精度相对较高，加工余量可设计为3～5 mm，如果过程和设备控制的水平较高，甚至可设计为2～4 mm。

砂芯的配合间隙要根据配合位置的重要程度来确定，如要求配合准确，对相关尺寸影响较大。如气道的芯头配合，其砂芯配合间隙设计为0.1～0.15 mm，其他砂芯配合间隙可以放置在0.2～0.5 mm，部分配合间隙可以放到0.6～1.2 mm，具体的间隙选择是根据砂芯配合精度要求来决定的。配合间隙设计时已考虑涂料层厚度，因此芯头部位不需再考虑涂料层。

2.5 立浇铸造工艺技术难点

保证内浇道逐层按顺序注入铁液，即铁液先进入下层内浇道，型腔液面逐渐上升接近上层内浇道时，才由上层内浇道注入铁液。若两层内浇道同时注入铁液产生“乱浇”，易造成飞溅、漩涡、夹气和夹渣现象，容易产生砂眼、气孔等缺陷。

3 结语

WP7 气缸盖铸造工艺的设计，通过采用新型的立浇铸造工艺，充分利用砂箱的空间，生产效率较高，生产率提高50%；提高了砂芯组装生产率，工艺出品率也随之提高，一定程度降低了生产成本。整个铸件由砂芯形成，砂芯定位准确，铸件尺寸精度高，减少了下芯造成的尺寸偏差。WP7 气缸盖立浇铸造工艺的成功应用，填补了潍柴铸锻公司整体式缸盖立浇工艺的空白，为潍柴铸锻公司大批量生产整体式缸盖积累了经验，丰富了缸盖铸造生产工艺，提高了企业的竞争力。

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