缸盖水夹层芯制芯问题分析及改进.pdf

第59 卷第2 期Vol.59No.2中国铸造装备与技术CHINAFOUNDRYMACHINERY&TECHNOLOGY2024年3 月Mar.2024缸盖水夹层芯制芯问题分析及改进杜纪柱，李伟涛,姜建光,王培军,邵长利（潍柴动力股份有限公司，山东潍坊2 6 10 6 1）摘要：缸盖水夹层芯制芯时，砂芯易出现缺料现象，在工装制作验证过程中通过合理的选用和布局排气塞、改变顶芯杆结构、增加排气镶块、排气槽或过砂槽等方式，提高工装排气效果和优化气流流动，减少水夹层缺料缺陷。关键词：水夹层芯；缺料；排气；缸盖中图分类号：TG242.7D0I:10.3969/j.issn.1006-9658.2024.02.0110前言缸盖作为发动机的主要部件，其内部型腔结构复杂，尺寸精度高，为保证缸盖内腔质量和产品尺寸精度，缸盖水夹层芯制芯工艺多采用热芯盒覆膜砂制芯。在生产过程中由于受到设备、工装设计等方面的影响，水夹层芯会出现多种缺陷，如缺料、断芯、变形、过烧等，这些缺陷的产生既影响了产品质量，又增加了生产制造成本。砂芯生产时所用的射芯机分型方式分为水平分型和垂直分型两种。为保证缸盖水腔质量，水夹层芯制芯时主要采用垂直分型制芯工艺，而在垂直分型制芯过程中最常见的砂芯缺陷为砂芯缺料，如图1所示。图1砂芯缺料收稿日期：2 0 2 3-0 9-14；修订日期：2 0 2 3-10-11作者简介：杜纪柱（19 8 2 一），男，硕士，高级工程师，现主要从事铸造工艺及开发。E-mail:文献标识码：A文章编号：10 0 6-9 6 58(2 0 2 4)0 2-0 0 46-0 4-46-1原因分析在砂芯生产过程中受人机料法环等因素的影响，热芯盒覆膜砂垂直分型制芯过程中砂芯缺料产生的砂芯废品率最高。水夹层芯缺料对铸件质量影响较为严重，会导致铸件粘砂、多料、脉纹等缺陷产生。这些缺陷会影响铸件质量，甚至影响到柴油机的性能。水夹层芯制芯缺料主要是有工装排气和砂芯结构导致。1.1排气垂直分型工装在制芯时覆膜砂受风压作用由上而下射人工装内部，同时型腔内气体由工装间隙排出型腔，覆膜砂受热固化形成砂芯。而型腔内气体的排出要合理，过快和过慢甚至是无法排出都会导致砂芯缺料的产生。在制芯过程中工装影响排气的因素主要有排气孔、排气塞、顶芯杆、活块等，这些结构的设计位置、大小和排气间隙不合理都会导致缺料的出现。当排气不畅时，工装内部的气体无法有效排出，在局部出现窝气现象，导致覆膜砂无法完全充型，进而出现砂芯缺料现象。当排气过大时，由于覆膜砂在到达工装最底部前，气流已从排气通道排出，导致充型的动力不足，在充型时局部部位覆膜砂无法到达，导致砂芯出现缺料。杜纪柱，等：缸盖水夹层芯制芯问题分析及改进1.2石砂芯结构缸盖型腔在设计时为满足柴油机生产和结构的需求，水夹层芯存在相对孤立的突出的部位和中空的部位。在制芯射砂过程我们可以将砂子看做为流体，砂子在型腔流动时，这些部位受到“卡门涡街”现象的影响，在射砂制芯时这些部位容易在正对射砂方向出现窝气现象，导致砂芯在这些部位易出现缺料。2解决措施针对夹层芯易出现的问题，需要根据生产经验在设计初期对砂芯设计和工装结构优化，再根据工装、设备和现场实际进行调整修改。在夹层芯工装设计制造过程中多会利用排气塞、顶芯杆、排气槽等进行排气，这些结构的设计和布局的合理与否会影响到砂芯的质量。排气塞在夹层芯工装设计时，作为常用的排气部件，其选择与布局的合理性对工装排气和砂芯质量影响很大。排气塞排气间隙为0.2 mm，在生产过程中覆膜砂会很快的逐步堵塞排气塞。因此除特殊部位外排气塞不易选择过小，大排气塞既利于清理也利于更换。同时排气塞不易布置过多，过多易导致排气过快，导致砂芯缺料。在排气塞大小和布局选择上采用原则是选大选少。顶芯杆是夹层芯工装顶芯的结构，在顶芯的同时起到排气的作用。在砂芯芯头部位使用顶芯杆排气的较多。在工装设计时顶芯杆和工装间的配合间隙一般预留单边0.15 0.2 mm，此间隙既能保证顶芯效果,亦能起到排气作用,同时防止覆膜砂跑出。但在顶芯设计时，一般直接使用顶芯杆进行排气如图2 所示，在工装设计顶芯杆时多采用此结构，因接触面积大，当砂子进入后堵塞排气通道，顶芯杆运动也不利于砂子的排除，影响排气。按照如图3 所示结构进行更改，顶部预留1020mm为正常尺寸，中间部位直径2 4mm，顶芯杆与工装的接触面积减小，减小了可能的受第2 期顶芯杆图2 顶芯杆与工装直接配合DODD(24)ODOD图3 顶芯杆更改为小接触面顶芯杆力面，在顶芯杆运动过程中将挤入顶芯杆和工装间隙的砂子排除，减少了砂子堵塞排气通道几率，保证排气效果。为形成缸盖型腔，水夹层芯存在用于形成串水结构的芯头。当芯头尺寸较小，直接用顶芯杆排气即可满足要求，但当芯头结构复杂时将顶芯杆顶部线切割增加排气，提升顶芯杆排气能力。当夹层芯芯头尺寸较大时，需要提高芯头部位的排气效果，顶芯杆部位也需要进行重新设计排气，根据情况进行不同的更改。在工装设计过程中除了顶芯杆与工装的配合排气外，在顶芯杆中设计增加排气塞如图4所示。此类设计在使用初期，排气效果非常理想，但在使用一段时间后，覆膜砂在制芯-47-第59 卷中国铸造装备与技术带排气塞顶芯杆图4顶芯杆带排气结构固化时将排气塞堵塞会降低排气效果，砂芯易出现缺料现象，顶芯杆中排气塞不便于清理更换。针对水夹层芯这种结构引起的缺料问题，我们还可以通过顶芯杆加一个排气镶块的方式如图5所示2,来提高工装排气效果，此种排气结构可以避免顶芯杆加排气塞的结构弊端，工装维修更为方便。图6 喷油器芯头缺料带排气塞顶芯杆排气镶块顶芯杆图7 带排气塞顶芯杆加单排气镶块结构排气镶块顶芯杆双排气镶块图5带排气镶块的排气结构但是受产品结构的影响，有些产品的夹层芯喷油器芯头尺寸非常大（如图6 所示），需要的排气面积也需要增加，在验证初期使用顶芯杆带排气塞和单个排气镶块方式（如图7 所示），未能解决芯头缺料现象。因此对顶芯杆结构进行更改(如图8 所示），将此处排气结构更改为顶芯杆加双排气镶块的结构，解决此类喷油器芯头缺料的现象。夹层芯部分结构是环形或半环形结构，在工图8 顶芯杆加双排气镶块结构装设计时,这些部位会形成柱状结构，在柱状结构的部位因“卡门涡街”的作用形成缺料问题。针对这种部位的夹层芯缺料，可以通过增加过砂槽改变覆膜砂流动方向，或者在出现涡街的部位增加排气槽提高排气的方式解决，如图9 所示。一48一杜纪柱，等：缸盖水夹层芯制芯问题分析及改进过砂槽排气槽+图9 工装过砂槽和排气槽3结论为保证水夹层芯芯盒制芯时砂芯的质量，降低砂芯缺料缺陷问题，通过以下工装设计和更改，能够有效的减少砂芯缺料。（1）工装排气塞选择上尽量选大选少，定期清理。(2)顶芯杆在设计时可以减小顶芯杆与工装接触面积,另外排除砂子中的杂质，避免堵塞排气通道，亦可采用顶芯杆线切割切槽排气的方式，保证工装的排气效果。第2 期(3)针对夹层芯芯头结构的大小可以合理的选用顶芯杆带排气塞、顶芯杆加镶块的方式提高排气效果。(4)在砂芯存在掏空结构的部位,工装制作时可以通过增加过砂槽和排气槽的方式，打破“卡门涡街”现象，解决缺料问题。参考文献：1】刘文川.热芯盒下顶芯杆新结构 模具工业，19 9 4(10):41.2 王明杰，范新凤，范有发.大型热芯盒工装模具排气系统设计电加工与模具,2 0 0 5(5):6 0-6 1.Analysis and improvement of core makingproblems of cylinder head water sandwich coreDU Jizhu,LI Weitao,JIANG Jianguang,WANG Peijun,SHAO Changli(Weichai(Weifang)Casting Co.,Ltd.,Weifang 261061,Shandong China)Abstract:In the process of tooling production verification,through reasonable selection and layout of theexhaust plug,change the structure of the top core rod,increase the exhaust groove of the exhaust insertor over the sand groove,etc.,improve the exhaust effect of the tooling and optimize the airflow flow,and reduce the defect of lack of material in the water interlayer.Key words:Water sandwich core;Starved feeding;Exhaust air;Cylinder head