汽车发动机缸盖水道砂芯模射砂嘴改良与应用

罗 军，徐鼎川，彭奇恩，周兰菊

（1.广东省轻工业技师学院，广州 510315；2.东莞市精思融精密塑胶模具制品有限公司，广东东莞 523900；3.广东省机械技师学院，广州 510440；4.天津电子信息职业技术学院，天津 300350）

0 引言

某企业生产的2.0 L和2.4 L两种系列发动机都使用低压铸造所铸造的缸盖［1］。自从低压铸造缸盖生产线投产以来，发现砂芯模具射砂嘴存在设计缺陷，导致水道／副水道砂芯型模具的镶块容易磨损，进而引起砂芯的多肉或缺肉等现象。当进行缸盖铸造时，燃室部位就会出现壁薄情况，这导致发动机在汽油燃烧时产生的压力过大，从而导致发动机爆裂的风险。砂芯的不良率增加严重影响了缸盖的生产，进而直接影响了发动机的生产品质。

而砂型压铸模具在低压铸造车间中扮演着核心角色，尤其是在缸盖生产中。模具的性能和品质直接影响生产效率和成本。砂芯模具［2］的质量和性能对整个生产线的有序进行至关重要。然而，在生产过程中，砂芯模具总会出现一些不良问题，如表面不光滑、变形和破裂，这些问题会增加产品的不良率，影响生产效率和成本。

为了解决砂芯模具在生产过程中的不良问题，国内大都从模具预热、排气槽设置等方面展开研究，本文将着重改善射砂嘴的设计和使用方法［3］。射砂嘴是砂芯模具中关键的组成部分，直接影响砂芯的质量和性能。

本文通过实验方法，改良射砂嘴的设计和使用，解决砂芯模具的不良问题，显著提高砂芯模具的质量和性能。修复设计缺陷和提高耐磨性可以减少镶块的磨损情况，从而降低砂芯的不良率。优化砂芯制作工艺可以确保砂芯的密实性和稳定性，减少多肉现象的发生。加强模具的维护和保养可以延长模具的使用寿命，提高生产效率和成本效益，确保整个生产线的有序进行。

1 原射砂嘴问题分析

原射砂嘴设计采用了多小孔式，如图1 所示。实物如图2 所示，当射砂嘴对模具的镶块进行射砂时，模具镶块会受到冲击力的集中作用，导致镶块容易磨损。这种磨损会导致模具镶块出现缺肉现象［4］，从而降低了模具镶块的使用寿命。当模具镶块磨损严重时［5］，砂芯的成型就会出现多肉问题，如图3 所示，导致砂芯不合格。

图1 原射砂嘴结构

图2 原射砂嘴实物

图3 水道砂芯

为了解决这个问题，可以考虑对射砂嘴的设计进行改良。可以采用更耐磨损的材料制作射砂嘴，或者改变射砂嘴的结构，使冲击力均匀分散，减少对模具镶块的集中作用，从而延长模具镶块的使用寿命。此外，还可以加强模具镶块的维护和保养，定期检查和更换磨损严重的镶块，以确保模具的正常运行。

然而，尽管可以更换模具镶块，但这会导致生产过程的停顿，从而影响铸造模具的生产效率。为了减少停机时间和成本浪费，可以考虑优化生产管理公差，确保在规定的公差范围内进行生产，如表1 所示，减少不合格品的产生。此外，可以加强模具的保养和维护工作，提高模具的使用寿命［6］，减少更换模具镶块的频率。

表1 压铸生产管理公差对照表 mm

2 射砂嘴改造

针对射砂嘴设计上的缺陷，可以进行以下改造来解决问题。首先，可以通过改变射砂嘴的结构来减少冲击力的集中作用。可以增加射砂嘴的出口面积，使射砂嘴内的气体压力均匀分散，从而减少对模具镶块的冲击力。此外，还可以增加射砂嘴的长度，使射砂嘴与模具镶块之间的距离增加，进一步减少冲击力的传递。

另外，为了降低射砂嘴的压力，可以考虑调整压铸机的吹气压力［7］。根据压铸机额定吹气压力F ＝6.4×103N，改造前模具射砂嘴小孔压力作用情况如下：

射砂嘴压力过高是导致镶块磨损的主因；当然可以适当降低吹气压力，降低射砂嘴对模具镶块的冲击力，虽能延长模具镶块的使用寿命，但是降低压力后，导致射砂流量不足，只能延长砂芯的生产时间，降低了生产效率。

2.1 第1 次改良

为了解决由冲击作用导致的模具镶块磨损问题，进行了一项试验，将模具镶块的材料从普通Q235 号钢改为热作模具钢4Cr5MoSiV1［8］。试验结果显示，在5 000台生产周期内，模具镶块的磨损情况有所改善。然而，当达到6 000 台生产周期时，模具镶块仍然需要更换，这意味着改变模具镶块材料的策略并不完全有效。

虽然模具镶块材料的更换能够延长更换周期［9］，但由于热作模具钢4Cr5MoSiV1 的成本较高，这种对策在经济上并不可行；即便模具镶块可以更换，但是在生产过程中若停机进行修理，这样就造成了生产的停顿，从而影响了铸造模具的生产。尽管模具保全加大了维护的力度，定期地对模具进行三次测定，发现NG 时可以更换镶块，但由于更换了镶块之后，又要进行试浇铸进行品质确认，进行一次试浇铸，需要铸造5 个缸盖进行机加工确认，这样就造成了很大的浪费，增加了成本。因此，需要寻找其他解决方案来解决模具镶块磨损问题。

2.2 第2 次改良

为了解决由于冲击作用力过大而导致模具镶块易磨损的问题，进行了一系列改良措施。首先，取消了多小孔式射砂孔，为节约材料将原射砂嘴的多小孔板拆除，射砂孔改造为直径为φ19 mm的单孔。通过计算分析，发现新的射砂孔面积为0.0283 4 m2，相比原射砂孔面积明显增大，这样做的目的是增加射砂嘴的喷射面积［10］，计算压力情况分析如下：

射砂嘴压力明显降低，减少了冲击作用力过于集中对模具镶块的磨损程度。经过第一次试验发现，模具镶块的使用寿命得到了一定的延长。

然而，在进行第二次试验时，发现试浇铸的30 个砂芯的合格率仅为70%。经过检查和分析，发现这是因为射砂孔面积增大后，进行压铸时充型压力不足，导致砂芯的一些部位出现掉砂现象。这说明砂芯的硬度不够，无法承受压力。

为了解决这个问题，需要进一步优化砂芯的材料和制造工艺。可以考虑采用更硬的砂芯材料［11］，如耐高温陶瓷材料，以提高砂芯的硬度和耐压性。此外，还可以改良砂芯的制造工艺，增强其结构强度，确保在压铸过程中不会出现掉砂现象，导致成本上升。

2.3 第3 次改良

前两次改良没有获得显著成效，通过查阅资料发现，射砂压力和射砂时间是影响砂芯品质的两个关键因素［12］。合理的射砂压力和射砂时间可以确保砂芯的质量和性能达到要求。如果射砂压力过高或射砂时间过长，会导致砂芯出现局部收缩和裂纹等缺陷。这是因为过高的射砂压力和过长的射砂时间会使砂芯内部的砂料过度压实，造成砂芯结构的不均匀性，从而引起缺陷的产生。相反，如果射砂压力偏低或射砂时间不足，砂芯的紧实度会不够，砂芯强度会不均匀，容易发生断裂。因此，在生产过程中，必须将射砂压力控制在0.3～0.6 MPa 的范围内［13］，以确保砂芯的质量和性能。此外，射砂时间也应根据具体情况进行调整，以保证砂芯的充实度和强度。通过合理控制射砂压力和射砂时间，可以有效提高砂芯的质量［14］，减少缺陷的产生，提高产品的可靠性和稳定性。

为了减少冲击作用力对模具镶块的磨损程度，再次对射砂孔进行了改造，将其直径改为φ12 mm，如图4 所示。经过压铸30个砂芯后的品质检查，合格率为98.5%。通过计算分析，射砂作用力情况如下：

图4 单孔φ12 mm射砂嘴结构

射砂压力控制在0.3～0.6 MPa 的范围内。改造射砂孔为φ12 mm 后，射砂作用力明显减小，从而减弱了对模具镶块的冲击作用力，提高了模具镶块的寿命。此外，改造后的射砂孔几乎不会出现充型不足的问题，保证了砂芯的品质。

改良后的射砂嘴如图5 所示。通过对压铸铸件表面粗糙度［15］检验如表2 所示和铸件抗拆强度检验的分析如表3 所示，发现这些指标均优于标准值。

表2 压铸铸件表面粗糙度检验 μm

表3 铸件抗拆强度检验 N／cm2

图5 单孔φ12 mm射砂嘴实物

通过将射砂孔改造为φ12 mm，可以减小冲击作用力并提高模具镶块的寿命。改良后的射砂嘴也能够保证砂芯的品质，从而提高了铸件的表面粗糙度和抗拆强度。

3 实际使用效果

经过6个多月的跟踪使用确认，模具射砂嘴的改造取得了显著的效果，达到了预期的目标。以下是主要成果。

（1）维修次数大幅减少。改造后的射砂嘴能够有效减少冲击作用力对模具镶块的磨损，从而降低了维修的频率，提高了模具的生产可动率。

（2）品质得到大幅提高。通过改造射砂孔为φ12 mm，砂芯的充型不足问题得到了解决，经检验品质得到了显著提升。

（3）设备停机次数减少。由于改造后的射砂嘴能够减小冲击作用力，模具镶块的寿命得到延长，从而减少了设备的停机次数，提高了生产效率。

（4）维修成本降低。改造后的射砂嘴能够减少模具镶块的磨损程度，延长了更换的周期。以往每5 000 台就需要更换模具镶块，而现在延长到了9 000 台才需要更换，从而降低了维修成本。

（5）减少了模具保全人员的维修工时。由于维修次数减少，模具保全人员的维修工时也相应减少，提高了工作效率［16］。

根据如表4 所示的数据分析结果，单孔式射砂嘴的使用明显降低了不良品率。这主要归功于改良后的射砂嘴能够延长模具镶块的使用寿命，减少了模具维修组更换的频率和所需工时［17］。这一改良确保了缸盖的批量生产，并使每月的经济效益提高了5%。

表4 单孔式射砂嘴投入使用前后效益对照

4 维护措施

为了确保技术改造的成果得以持续，加强了模具管理，并制定了相关的保养制度。定期进行检查和三次元测定，以及发现任何磨损迹象，立即按计划进行维修。通过这些措施，模具故障对生产的影响已降至最低，为顺利进行生产奠定了基础。

针对砂型铸造的缺陷［18］，如缺肉和多肉，除了射砂嘴不良和模具镶块磨损之外，排气不良也是造成这些问题的原因。下面对排气不良造成产品缺陷的种类和原因进行分析，并提出相应的对策。

（1）分型面间隙堵塞［19］：模具合模时会存在一定的间隙，一般分型间隙为0.08～0.15 mm，活动零件间隙为0.1～0.2 mm，这些间隙用于排气。如果分型面上存在氧化物或其他杂质，气体就无法顺利排出，从而导致缺肉问题。如果缺肉是由于分型面排气不良造成的，可以使用气动钢丝刷清扫分型面。

（2）排气槽堵塞：在分型面或型腔零件的组合面上，设计了排气槽［20］，它既能排气又能蓄气。如果排气槽排气不良，也会导致产品缺肉。通常，排气槽堵塞的原因是脱模剂和氧化物黏附在上面，导致铸型时气体无法顺利排出。在这种情况下，可以使用射砂枪对堵塞部位进行射砂，清除杂物。

（3）排气塞堵塞［21］：排气塞是金属模具常用的排气设施。当需要在一个平面上设置多个排气塞时，可以使用排气环来替代。排气环设计在型腔的气阻处或大平面上，以确保顺畅的排气。当排气塞在生产一定数量的制品后出现堵塞时，主要原因是脱模剂和砂粒粘附在表面，导致排气不良。这种缺陷在产品上非常明显，解决办法是立即更换新的排气塞。

通过以上的对策，能够有效应对排气不良所导致的产品缺陷，确保砂型铸造的质量和稳定性。

5 结束语

为了确保砂型压铸模射砂嘴的正常运行和延长使用寿命，本文提出了一系列维护和改良措施。通过定期清洁、检查和修复、润滑和保护、控制工艺参数以及储存和保管等维护措施的实施，可以保持砂型压铸模射砂嘴的良好状态，提高生产效率和产品质量。此外，通过改良砂型压铸模射砂嘴的设计和应用研究，可以进一步优化其性能，提高生产效率，降低能耗和环境影响。

然而，需要注意的是，砂型压铸模射砂嘴的改良和应用研究的实际使用效果会受到多种因素的影响，需要根据具体情况进行综合评估和调整。因此，维护和改良砂型压铸模射砂嘴是砂型压铸工艺中不可忽视的重要环节，对于提高生产效率和产品质量具有重要意义。

未来的研究可以进一步深入探索砂型压铸模射砂嘴的优化设计和应用技术，以满足不断发展的工业需求和环境要求。通过不断改良和创新，可以进一步提高砂型压铸模射砂嘴的性能和可靠性，推动砂型压铸工艺的发展。