万吨汽油发动机汽缸体及干式缸套柴油发动机汽缸体消失模生产线建设

许少红

（天津市龙鑫汇/瑞普天晟汽车零部件制造有限公司，天津武清 301701）

我公司是大批量专业生产汽车发动机零部件的厂家，在国内拥有十几家汽车主机厂的市场资源。为发展壮大企业，以使企业在激烈的市场竞争中立于不败之地，2008年公司决定：利用现有的市场资源，逐步上马发动机汽缸体铸造及深加工，直至生产发动机动力总成项目。为此就低合金铸铁发动机汽缸体铸造项目进行了调研，并决定上一条万吨消失模生产线用于生产汽油发动机汽缸体。

1 汽缸体铸造项目组织调研及立项

低合金铸铁汽缸体铸造造型工艺种类有好几种，基于公司基本条件及天津市对环境保护愈来愈高的要求，公司考虑是否可以采用称为“21世纪的铸造绿色环保工程”的消失模铸造工艺来生产低合金铸铁汽缸体，当时国内还没有批量生产低合金铸铁（带缸套）汽缸体成熟经验，为此而展开项目组织调研。

1.1 项目组织调研

经过走访多位消失模铸造工艺专家教授，组织调研消失模铸造模具专业制造厂、消失模铸造设备生产厂家、消失模工艺铸造厂及有关材料生产商后，得到如下结论：在国内最近几年，消失模铸造工艺得到了飞速发展，特别是在灰铸铁铸件方面则更为突出。消失模铸造用专用材料、模具、设备以及专用生产线已具备生产高端、高附加值产品（如汽油发动机及干式缸套柴油发动机汽缸体）的条件。在同等规模情况下，消失模铸造工艺在设备投资、员工工作条件、污染物排放、能耗等方面要优于其他工艺。

1.2 项目立项

公司采用真空消失模全自动生产线生产发动机汽缸体、排气管，并已通过能耗评估和环保许可（津武环保许可表[2010]036号）。将建设国内第一条万吨消失模生产线用于生产汽油发动机汽缸体，要求其工艺技术达到国际先进、国内领先水平。项目被列入2009年度天津市重点项目。

2 项目总体技术方案

2.1 设计的基本原则

采用生产线大批量生产方式，实现优质、高效、低耗、低污染，保证满足环保要求的前提下，达到年产1万t汽缸体能力。

2.2 设计的总体要求

（1）主要产品：材质为低合金HT250的汽油发动机汽缸体及干式缸套柴油发动机汽缸体，球墨铸铁排气管。

（2）生产线节拍：30箱/h。

（3）通过能耗评估和环保许可。

3 生产工序的设置及技术工艺方案

以40 kg/件重汽油发动机汽缸体为生产线设计主产品，按1件/min的生产效率设计各生产工序及技术工艺方案。

3.1 消失模模型制造

3.1.1 模具设计制造

消失模铸造用模具有其特殊性，每铸造一个铸件需用模具制造一个泡沫塑料模样，一般情况下，模具设计直接影响以后的铸造工艺，因此模具设计一定要和铸造工程师一起来完成。带缸套汽缸体消失模铸造在模具方面，最关键是如何确保缸筒以及和曲轴位轴线的形位公差。

3.1.2 模料预发及熟化

低合金HT250的汽油发动机汽缸体及球铁排气管采用STMMA料，干式缸套柴油发动机汽缸体采用EPS料，用同一台预发机预发后，在熟化仓中熟化4 h.

3.1.3 模片成型及熟化

模片成型是在液压半自动成型机上来完成，通过模具的优化设计实现汽缸体模样缸套和曲轴箱体一次成型，小型汽油机缸体甚至连同浇注系统也一次成型，从根本上解决了变形及尺寸精度问题，同时最大限度的降低了黏胶对铸件质量的影响。为使模样中水分及发泡剂扩散挥发保持尺寸稳定，以及减轻发泡剂对铸造过程的不利影响，需将模样在常温条件下自然熟化15 d.

3.1.4 模片烘干

模片及成形浇注系统在组粘成完整模样之前，需在（50±5）℃，相对湿度小于40%条件下，烘干至恒重。采用独立的烘干室用于模片烘干。

3.1.5 粘接组合

带缸套汽缸体模片结构复杂，目前采用人工粘接方式，为能有足够的操作时间，而采用冷胶，浇注系统则用热熔胶。在满足粘接前提下，一定要尽力少用胶。外部粘接缝可用美纹纸粘贴以改善表面质量，美纹纸粘贴后无需烘干，可直接浸涂耐火涂料，以防美纹纸和模样开裂。

3.1.6 浸涂耐火涂料及烘干

成功的采用某公司生产的国产消失模涂料用于带套汽缸体，经过试验对比，该涂料综合性能很好，性价比极高，特别是抗开裂性能优良，这一点要优于外资企业消失模涂料，对于带水套汽缸体最为重要。采用3个独立450 m3烘干室，按涂料次数分别烘干。烘干修补好的模型组放置在一个独立的恒温干燥烘干室待造型浇注。

3.2 合金铁水熔炼

3套600 kW，IGBT串联逆变中频电源，配3套1 t带磁轭的钢壳炉体，组成3 t/h铁水熔炼能力。

3.2.1 配料

在原料库采用天车电磁吸盘按每炉次集中配料放入料斗中，再用叉车运送至电炉平台。

为确保产品质量，铁合金、孕育剂及球化剂均要进行精选，选用质量可靠的产品。

3.2.2 熔炼

采用IGBT串联逆变中频感应电炉熔炼，利用炉前带储存打印功能的热分析仪及防飞溅测温枪进行成分及温度控制。

3.3 造型、浇注及冷却落砂

3.3.1 造型

悬链输送线将烘干修补好的模型组由缓存室输送至生产线造型工位，由3台串联放置的震实台按每箱2件造型，30箱/h的速度，实现1件/min的生产效率。

3.3.2 浇注

冶金单轨电葫芦将熔炼好的铁水调运至浇注机进行浇注。

3.3.3 冷却落砂

铸件在真空砂箱中冷却1.5 h后，利用底泄砂机构落砂，铸件被吊出放入专用箱中，旧砂进入砂处理系统。

4 消失模铸造生产线的技术特点

这套汽缸体消失模铸造生产线，其主要技术特点是采用二维圆周运动振动台分6个工序完成造型工作，采取移动抽真空方式，用全液压浇注机浇注，实现生产线30箱/h的高节拍，达到国内领先水平。

4.1 熔炼系统

由某中频设备厂专业生产的3套600 kW，1 t IGBT串联逆变中频感应电炉，配套智能动态谐波滤波器组成熔炼系统。

技术特点如下：

（1）节能型IGBT晶体管中频电源逆变电压为2800 V，而传统可控硅中频电源逆变电压仅为750 V，电流小了近4倍，线路损耗大大降低。IGBT晶体管是德国西门康公司生产，配套保护功能的驱动，设备不但节能，更具有高可靠性。同时配备的钢壳炉体，由于炉体刚度高，故炉衬寿命比铝合金炉体要高很多，且炉体由于磁轭的作用，对周围环境磁污染少，炉台可用钢结构制造。

（2）任何开关、变频性设备都会产生谐波，智能动态谐波滤波器能消除中频电源产生的3次、5次、7次及11次谐波对电网及用电设备产生一定影响，特别是对生产线变频设备的危害，同时还起到补偿，提高中频电源的功率因数降低无用功，实现节能。

4.2 造型系统

造型设备使用1台三位线性运动振动台和2台二维圆周运动振动台每隔一砂箱位放置一套，形成预加底砂震实；放置模型组并初步固定；雨淋加砂震实至模型组中上部；检查调整；雨淋加砂震实完毕；放置塑料模、浇口杯及加保护砂等6个工位。

4.2.1 砂箱及载箱小车

砂箱采用长圆形状，箱底部及四周对称部位设置真空室，砂箱底中部装有新专利底卸砂机构。砂箱放在载箱小车上按节拍运动至震实台上方，震实造型时，由震实台托起与载箱小车分离，载箱小车保持不动，保证输送线连续。

砂箱长圆形状与长方形相比具有如下优点：（1）制造简单，材料利用率高，制造成本低；（2）砂箱刚度高，在震动工作状态十分有利；（3）砂箱水平方向无死角，造型砂紧实度均匀，抽真空时，型砂位移小，模型组不易变形，对铸件尺寸精度有益；（4）造型砂用量有所减少，对砂处理系统有利。

4.2.2 二维圆周运动震实台

由某公司制造的二维圆周运动震实台，由于其独特的工作原理，使得造型砂在水平方向运动、均匀扩散能力很强。当汽缸体模型组造型时，实际表现为造型砂在曲轴箱上凹处及缸体水套窄缝隙处的很好填充紧实，这一点决定着带缸套汽缸体消失模铸造的铸件成形，是能成功应用消失模铸造工艺生产带缸套汽缸体的关键前提。巧妙的设计安排三套震实台的布置，将每一个砂箱的造型分6个工位来完成。2 min砂箱移动一次，六工位共计12 min完成一箱造型工作量是完全没问题的，由此实现生产线30箱/h的高节拍，是国内消失模铸造生产线节拍（一般在15箱/h以下）的2倍。

4.3 负压、浇注系统

采用8工位浇注，砂箱底部与真空系统自动通断，同时能实现移动抽真空来保证生产线30箱/h的高节拍。浇注设备采用专利全液压轮式浇注机浇注。该浇注机是专为消失模铸造工艺生产线特点设计制造，较为人性化，浇注工易操作。

4.4 冷却系统

浇注凝固定型后，去掉负压，铸件在干砂中自由冷却1.5 h后，进入落砂工位。

4.5 落砂系统

缓存落砂斗、自动开合门机构及砂箱新专利底卸砂机构组成落砂系统。设计2个砂箱工位底卸落砂，以保障生产线高节拍要求。

新专利底卸砂机构：新型机构是在第一代专利底卸砂机构基础上改进而成，耐热密封件不与热砂相接触实现长寿命，特殊密封方式的设计使得砂箱里负压度越高则密封效果越好，密封盖板工作时，施加一定的预压力，即实现良好密封，又防止了脱钩误动作，开合密封盖板无需额外动力。底卸砂机构与翻箱机构比较有如下优点：无须庞大的翻箱机构及落砂机，设备投资少，故障率低；无动力消耗；噪音低，易于设置除尘，环境条件好；铸件不易碰伤。

4.6 砂处理系统

砂处理系统全部自动工作在密封除尘状态下，采用粗筛、螺旋加湿冷却、磁选、立式冷却器及细筛工艺，砂处理能力大于45 t/h.

4.7 砂箱输送系统

输送线由59套1100 mm×900 mm×900 mm长圆砂箱（含载箱小车），2条平行线，线端头采用2台变频摆渡车组成，全线可实现自动和手动二种模式。

4.8 除尘系统

采用4台不同除尘器，分别对高温区、高湿区、高粉尘区及低温区进行除尘处理，累计达6万m3。

5 项目成果介绍

公司采用真空消失模全自动生产线生产发动机汽缸体、排气管，并已通过能耗评估和环保许可（津武环保许可表[2010]036号）。我公司是国内第一个采用万吨消失模生产线生产汽油发动机汽缸体的厂家，其工艺技术达到国际先进、国内领先水平。消失模工艺在汽车发动机缸体上的应用，将会缩小我国和国外铸造水平的差距，由于其市场需求巨大，并且需求不断增加，故有很好的市场前景。消失模铸造工艺的节能减排潜力的发挥将对环境保护起到良好的作用。该项目的实施将对天津汽车行业乃至全国汽车行业的发展作出贡献。

6 结 论

1）二维圆周运动震实台从应用效果及价位来考虑是消失模铸造造型设备的首选，特别是复杂铸件。

2）国产液压半自动成型机能满足复杂铸件模片的生产。

3）国产的优质涂料完全能满足消失模高端铸件的要求。

4）IGBT串联逆变中频电源，配带磁轭的钢壳炉体，可达到2800 V的中频输出电压，实现节能，并减少了对环境的磁污染。

5）智能动态谐波滤波器能避免谐波污染电网的同时实现了节能。

6）用消失模铸造工艺在生产线上生产带缸套汽缸体铸件，从工艺方面讲是可行的，汽缸体铸件经过汽车厂台架试验证明，消失模带套汽缸体铸件材质能满足发动机要求。由于消失模铸造工艺影响因素很多，有些因素又相互影响（制约），参数选择范围极窄，从而增加了生产控制难度，这就给生产高端消失模铸件厂家提出全方位高要求，只有每道工序，每个细节做到位，才会有好的回报。