V型干式缸套柴油机气缸体铸造工艺开发

王祺祥，倪允强，臧加伦

（潍柴动力股份有限公司，山东潍坊 261061）

V型干式缸套柴油机气缸体铸造工艺开发

王祺祥，倪允强，臧加伦

（潍柴动力股份有限公司，山东潍坊 261061）

介绍了一种V型干式缸套柴油机气缸体的工艺开发要点，对制芯及组芯工艺流 程做了重点介绍。本工艺采用整体组芯、 整体下芯的方式，可以稳定产出合格的气缸体铸件毛坯，铸件尺寸精度及尺寸一致性良好。

V型气缸体；干式缸套；制芯组芯

0 引言

近年来，随着我国经济以及装备制造业的快速发展，国内卡车、工程机械等行业蓬勃发展，随着发动机向大功率、高性能方向发展，对柴油机气缸体也提出了更高的要求。为使产品在日益激烈的市场化竞争中赢得先机，公司开发了一款V型柴油机。气缸体作为柴油机的一个重要零部件，尤其是V型柴油机，具有复杂程度高、生产难度大、铸件品质难以控制的特点。采用V型干式气缸套结构，砂芯结构更为复杂，定位难度大，气缸体的铸造工艺开发是该柴油机开发的难点之一。

通过对气缸体结构进行分析，针对V型气缸体水套芯、挺杆芯和盖板芯组芯技术难点，最终确定气缸体采用V型角向上的组芯和浇注工艺。此工艺方便整体芯组的组芯，避免整体芯组翻转造成砂芯位移、破损，同时保证浇注过程中挺杆和水套芯变形小、排气通畅，实现了V型干式缸套气缸体铸造工艺的顺利开发。

1 铸造工艺设计

1.1 浇注系统设计

气缸体轮廓尺寸为816×845×560（L×W×H， mm），由于气缸体总体高度不高，根据气缸体结构特征分析，确定采用使轴承壁向下的底注方式，根据铸件三维模型，使用三维设计软件，设计气缸体浇注工艺，如图1所示。采用底注式浇注系统，铁液在型腔中上升平稳，可有效避免金属液发生飞溅，有利于型腔内气体顺序排出[1]。

图1 气缸体浇注工艺

1.2 铸造CAE仿真

采用铸造CAE模拟软件，进行工艺方案可行性验证。通过进行铸造应力、充型和凝固的模拟分析，观察浇注过程中的金属液平稳性，预测金属液在树脂砂型腔中的充型和凝固过程中可能出现的裂纹、气孔、缩松等铸造缺陷。

其中，图2是气缸体浇注时间模拟结果，图3是部分凝固结果和缩松缺陷结果。图4是铸件粘砂缺陷倾向分布。通过对铸件充填模拟分析，完善了 铸造浇冒口系统。

图2 CAE模拟结果

图3 铸件热节分布

图4 铸件粘砂倾向

2 制芯工艺

该V型气缸体共需要11种13颗砂芯，包括前端芯、3种大缸芯、后端芯、3种水套芯、挺杆芯、2种盖板芯、填砂块芯。涉及制芯工艺包括冷芯盒擦洗砂工艺、冷芯盒陶瓷砂工艺、自硬砂工艺。其中，大缸芯、前后端芯、盖板芯采用冷芯盒擦洗砂工艺；水套芯挺杆芯采用冷芯盒陶瓷砂工艺。

2.1 大缸芯制芯

大缸芯采用冷芯盒擦洗砂工艺，树脂组分1∶树脂组分2=1∶1，混砂时间80~90 s；制芯工艺参数：射砂压力≥0.4 MPa，吹胺时间40~60 s。

根据大缸芯产品结构，大缸芯采用缸筒向下的方式翻转制芯，如图5所示，方便芯头部位布置射砂嘴；制芯后，使用翻转吊具完成砂芯翻转存放，如图6所示。

为加强大缸芯排气，大缸芯缸筒部位设计掏空，此掏空棒不仅可以实现砂芯掏空，更是大缸芯芯盒开模后，大缸芯的定位机构，可防止砂芯侧翻损伤；通过对掏空棒和下芯盒结构设计，实现大缸芯制芯后，砂芯掏空棒支撑砂芯直立，取芯时跟随砂芯一同取出翻转，再将掏空棒取出。

图5 大缸芯制芯

图6 大缸芯翻转吊具

2.2 水套芯制芯

以往干式缸套气缸体水套芯的生产均采用硌矿砂与熟料砂制芯工艺。由于砂粒粗大且呈尖角状，具有射砂时对模具的冲击磨损大、砂芯的脱模效果不好等缺点；且热芯盒工艺制芯效率低，劳动环境较差[2]。为提高制芯效率、改善作业环境，同时解决砂芯脱模问题、延长模具使用寿命，现采用陶瓷砂冷芯盒制芯工艺生产水套芯，如图7所示。

水套芯采用陶瓷砂+焙烧砂工艺，树脂组分1∶树脂组分2=1∶1；制芯工艺参数：射砂压力≥0.4 MPa，吹胺时间30~60 s。

采用此种制芯工艺具备以下特点：

(1)芯砂颗粒为球形，流动性好，生产的砂芯紧实；

(2)热膨胀系数小，铸件变形倾向小；

(3)制芯时砂芯脱模性能好；

(4)抗金属液润湿能力大，抗金属氧化物作用，可提高铸件内腔表面品质，减轻粘砂缺陷。

图7 水套芯制芯

3 浸涂工艺

根据砂芯结构强度不同，浇注过程中受热环境的不同，制定了不同的砂芯浸涂工艺。

3.1 大缸芯浸涂

由于大缸芯结构强壮，无狭窄空间与薄弱的产品结构，大缸芯采用醇基石墨涂料浸涂工艺，如图8所示。由于石墨粉在浇注过程中能产生微弱的还原性气氛，抗粘砂能力强，资源丰富且成本低廉，适合此类大缸芯砂芯的浸涂使用。

图8 大缸芯浸涂

3.2 前后端芯刷涂

前后端芯采用手工刷涂工艺，如图9所示，使用醇基锆英粉涂料。由于锆英粉具有很好的耐火度和高温化学惰性，具有很好的防粘砂效果，可有效保证前后端芯复杂产品结构的铸件表面品质[3]。

图9 后端芯手工刷涂

3.3 水套芯浸涂

由于水套芯砂芯薄弱且受热环境恶劣，水套芯采用浸涂+局部刷涂工艺方式，如图10所示。使用水基涂料整体浸涂，由于水基涂料具有适当的渗透性，好的流平性和抗流淌性，较高的常温强度和高温抗开裂性，悬浮性好，抗粘砂能力强，可有效地保证了铸件内腔表面光洁。砂芯烘干后，对水套芯涂料缺损位置及缸盖串水孔周边补刷锆英粉涂料强化抗粘砂效果。

图10 水套芯浸涂

4 组芯工艺

针对干式缸套V型气缸体结构，确定了气缸体V型角向上的组芯工艺，设计专用组芯胎具，实现水套芯、挺杆芯和整体芯组的准确组装，保证了铸件毛坯的壁厚尺寸精度。该组芯胎具使用耐磨滑块滑动机构、限位块固定，操作方便，降低操作的劳动强度、提高组芯效率，如图11所示。

图11 组芯胎具与整体芯组

组芯的工艺过程：

(1)用转运吊具将后端芯、大缸芯、前端芯依次吊到组芯胎具上组芯，使用定位块固定每颗砂芯的位置；

(2)工搬运组水套芯和挺杆芯，其中由于挺杆芯在V型夹角外侧，挺杆芯下芯后，需要滑动左右侧支撑块至理论位置以支撑挺杆芯完成盖板芯的组装；

(3)人工组盖板芯，利用盖板芯实现水套芯和挺杆芯的固定。利用射钉枪射出的小排钉将盖板芯与前后端芯连接，该工艺方法的优点是：砂芯连接固定较粘结剂法精确，明显提高生产效率，方便操作，产量大小皆可使用；

(4)使用三根螺栓将整体芯组锁紧，螺栓锁紧两端孔不要堵死，用于排气。

气缸体V型角向上的组芯和浇注工艺，避免了整体芯组翻转造成砂芯位移、破损，同时保证浇注过程中挺杆和水套芯变形小、排气通畅，防止气孔等缺陷的产生[4]。

5 整体下芯

设计专用下芯吊具，整体组芯后，使用下芯吊具将整体芯组从组芯胎具上吊起，放入砂型中，如图12所示；整体芯组取芯和下芯过程中利用定位销定位，可有效提高下芯精度。采用整体芯组下芯的方式，消除了单颗砂芯下芯引起砂芯偏移造成的壁厚或尺寸偏差，保证了毛坯尺寸精度和尺寸的一致性。

图12 下芯吊具与整体芯组

6 合箱浇注

整体芯组下入下型后，使用填砂块芯封堵前后端芯吊砂槽，并在上型出气位置安放出气冒口，如图13所示。

铸件采用拔塞式浇注，浇注温度在1 400 ℃左右，浇注时间在24~30 s，效果良好，产出铸件毛坯合格。

图13 出气冒口

7 结语

经铸造工艺验证，产出合格的V型干式缸套气缸体毛坯。本次铸造工艺开发具备以下几个特点：

(1)针对干式缸套V型气缸体组芯工艺复杂的问题，开发了专用组芯胎具，采用V型角向上的组芯方式，保证挺杆芯盒、水套芯和整体芯组的组芯尺寸精度和操作的便利性。

(2)针对整体芯组的组芯工艺、同时考虑浇注过程中挺杆芯和水套芯的变形和排气等问题，确定V型角向上的浇注方式；该铸造工艺避免了整体芯组二次翻转可能造成的铸件缺陷。

(3)采用底注式浇注系统，浇注过程充型平稳，有利于型腔内气体顺序排出排气顺畅，避免了气孔缺陷的产生。

[1] 王文清,李魁盛.铸造工艺学[M].北京:机械工业出版社,1998:266-267.

[2] 戚晓霞 臧加伦，气缸体陶瓷砂水套芯制芯工艺生产试验过程研究[J].热加工工艺，2012（21）：68-70.

[3] 王文清,李魁盛.铸造工艺学[M].北京:机械工业出版社,1998:200-201.

[4] 邹日荣，李竞操.大型船用柴油机缸套的铸造工艺[J].中国铸造装备与技术,2004(3).

[5] 臧加伦,齐建,刘云云.V型柴油机气缸体铸造工艺设计[J].中国铸造装备与技术,2014(2).

Casting technique for V type dry cylinder block of diesel engine

WANG QiXiang,NI YunQiang, ZANG JiaLun
(Weichai Power Co., Ltd.,Weifang 261061, Shandong, China)

The cylinder block is an important part of the engine, especially the cylinder block of V diesel engine, technical requirements more stringent, process more difficult. This paper introduces the process development of a V type dry cylinder diesel engine cylinder block, and details the core making and core assembly processes. The vertical core assembly and vertical pouring technique is used in the process. This process can be used to produce qualifi ed casting cylinder block. And the casting dimension possesses high precision and good consistency.

V type dry cylinder liner block;core making;core assembly

TG244；

A；

1006-9658（2017）04-0052-04

10.3969/j.issn.1006-9658.2017.04.015

2017-03-09

稿件编号:1703-1690

王祺祥（1961—），男，工程师，主要从事铸造设备与技术等方面工作.