D30气缸盖射水孔结构的铸造工艺性优化设计

刘毅

（广西玉柴机器股份有限公司，广西玉林 537005）

D30气缸盖射水孔结构的铸造工艺性优化设计

刘毅

（广西玉柴机器股份有限公司，广西玉林 537005）

通过对D30气缸盖射水孔的产品功能及铸造工艺性需求分析，提出了射水孔以直铸结构替代埋管结构的产品优化方案。并通过CAE水流场分析及可靠性验证试验，完成射水孔直铸方案的选择，解决了D30气缸盖下水道砂芯实现自动化生产的问题，根除了埋管铸造工艺极易产生的铸造缺陷。

气缸盖；射水孔；结构设计优化；铸造工艺；弯管；砂芯；自动化生产

D30气缸盖毛坯是玉柴铸造事业部缸盖产量较大的产品之一，四缸一盖，年产量10~15万件。该气缸盖射水孔原来的结构是采用镶铸形式把预制铜质弯管与铸件本体结合为一体（图1）。在铸造生产中，这样的结构要求把预制弯管按产品设计位置预埋在气缸盖下水道芯中，浇注后铸件本体与预制弯管螺纹段熔合在一起，铸造工序较多，铸件品质也不能有效保证。另一方面，对于玉柴技改升级的气缸盖自动化铸造生产线来说，这种结构不能在全封闭的制芯中心上实现下水道砂芯的全自动化生产。本文将针对这一系列问题，以满足铸造新工艺需求及产品性能要求为前提，对D30气缸盖射水孔结构的优化设计进行探讨分析。

图1 D30气缸盖内腔弯管（铸件与模型）

1 D30埋管气缸盖关键铸造工艺及主要存在问题

1.1 预制弯管的预处理

为了防止浇注过程中铁液浸入弯管内腔中，清净弯管内腔后再预先往其中填实冷芯砂，再在弯管的两端芯砂封口处滴上适量的三乙胺溶液，使冷芯砂硬化，防止芯砂流出，然后清净弯管与铸件本体镶联熔合的螺纹段，再入烤炉烘烤。图2为经过预处理的弯管。

图2 预先处理后的弯管

1.2 埋管下水道芯的制作

采用覆膜砂，在热芯机上射制砂芯。射砂前前先在模具中对应位置放置弯管（图3），然后合模、射砂、固化、取芯。砂芯射制后在组芯、浸涂料前先用生料带缠上弯管螺纹段（图4），以防止砂芯浸涂料后螺纹段被涂料覆盖，不能与铸件本体熔合，下芯前再去除弯管螺纹段处的生料带。

图3 放置好弯管的芯盒

图4 制好的埋管下水道芯

1.3 埋管气缸盖的生产工序及产品主要问题

（1）弯管中填充的冷芯砂不易紧实，浇注过程中铁液易从气缸盖底面弯管入水口浸入，导致入水口烧结堵塞，增加铸件清理工作量甚至导致铸件报废。

（2）弯管螺纹段的表面清洁品质不能有效保证，导致铁液与弯管螺纹段熔合不良，气缸盖从此处漏水而报废；

（3）每个气缸盖需4个弯管，其成本占比高。

弯管制芯工艺工序多，操作繁杂，需要大量的人工操作，工序品质不能有效保证，直接影响到铸件品质。更为关键的是，在玉柴新技改升级的气缸盖生产线上，这样的工艺不能在全封闭的全自动的制芯中心上实施，需要基于铸造流程及工艺需求优化产品结构。

2 产品结构优化的CAE分析

2.1 射水孔结构优化思路

射水孔的主要作用是在柴油机工作时，引导从气缸体经射水孔流入气缸盖内腔的水流以一定的速度流过气缸盖进、排气道鼻梁区，带走鼻梁区处因柴油机气缸内油气混合物高温燃烧而产生的传导热量，降低鼻梁区温度，避免气缸盖产生裂纹。基于这一功能需求，可以考虑取消预埋弯管，把射水孔直接在气缸盖本体上铸出[1]。

2.2 射水孔首次结构优化方案及水流场CAE分析

从图1中可以看到，为了加强冷却效果，预埋弯管出水口直达气缸盖鼻梁区。但要取消预埋弯管直铸射水孔，下水道芯需要把原先预埋弯管的位置上下挖穿，在鼻梁区射水孔出水口位置连接射水孔砂柱。射水孔出水口太靠近鼻梁区，势必降低下水道芯鼻梁区处的强度，也会使射水孔砂柱变长，制芯过程中容易使砂柱断裂掉落。为了使下水道芯具有合理的铸造工艺性[2]，首次优化采取了以下措施（关键尺寸如图5）：

（1）改短了射水孔，加大了出水口与鼻梁区之间的距离，保证鼻梁区砂芯结构强度；

（2）射水孔形状由均匀的圆柱孔更改为由圆形渐变过度到方形的结构，出水口方形截面增大，加大了射水孔砂柱与下水道芯的连结强度；

（3）由于下水道砂芯预埋弯管位置上下挖穿后，射水孔两侧的砂位非常薄弱，同时射孔水压不高，因此射水孔两侧壁厚由正常的5 mm更改为3 mm。

根据此方案，在同样的边界条件下，对优化的气缸盖及埋管气缸盖模型进行CAE水流场对比分析[3]（其模型对比状态图如图6）。

图5 射水孔首次优化图

图6 射水孔结构变化对比图

图7 是埋管模型和首次优化模型缸盖底面以上35 mm平面处水流速度矢量图，对比两图可以看出，气缸盖鼻梁区的水流速度，埋管气缸盖在1.8~2.1 m/s之间，首次优化气缸盖在0.9~1.2 m/s之间。CAE水流场对比分析结论：首次优化模型鼻梁区水流速度比埋管模型下降一半左右，存在冷却不足的风险，如需转产须进行严格的试验验证。

图7 鼻梁区水流速度矢量对比图

2.3 射水孔二次优化及三种模型CAE对比分析

首次优化模型的CAE水流速度分析表明取消埋管的射水孔结构需要进一步改进。针对首先优化方案进行分析认为：由于射水孔面积增大，导致出水口水流速度大幅度下降，另外由于出水口与鼻梁区距离增大，也会引起出水口水束分散，不能有效地汇聚到鼻梁区，影响散热效果。为此采取以下措施进行射水孔结构的二次优化（关键尺寸如图9）：

（1）射水孔截面不变，更改为与弯管内径一致，取消方形出水口；

（2）在射水孔的出水口处增加导流板，引导水流汇聚到鼻梁区。

图9 射水孔二次优化图

对三种射水孔结构的气缸盖模型进行CAE水流场综合分析，结果如下：

（1）4个射水孔的水流量变化：在射水孔改变前后，各射水孔水流量变化很小（图11），说明两次优化的模型对机体各个上水孔的冷却水流量分配比例影响很小。

射水孔编号（见图6）埋管模型首次优化模型二次优化模型1 0.2680.2680.284 2 0.2540.2560.269 3 0.2470.2510.255 4 0.2510.2550.259

图11 各射水孔水流量对比图

（2）二次优化模型的鼻梁区水流速度(图12)：在1.5~1.8 m/s之间，与图7对比，其速度比首次优化模型有明显的改善，比埋管模型略差。

图12 二次优化模型鼻梁区水流速度矢量图

（3）鼻梁区热传递系数（HTC）对比：热传递系数分布和速度分布基本上是对应关系，速度越高，HTC越大。图13显示了三种模型鼻梁区的HTC分布云图，二次优化模型的HTC比首次优化模型有明显的改善，比埋管模型略差。

图13 鼻梁区热传系数（HTC）分布对比云图

(4) CAE水流场综合分析建议：二次优化模型鼻梁区的冷却水流动速度及热传系数（HTC）比埋管模型略变差，却比首次优化模型改善很多，基本能够满足鼻梁区的散热要求，建议采用二次优化模型进行试验验证。

3 结构优化产品的试验验证

射水孔采用二次优化方案进行产品试制，其结构解剖见图14，其尺寸符合图纸要求。整机进行以下试验，结果均满足验证要求：

（1）整机水温测试试验：检测11台整机，标定工况出水水温为79 ℃~88.7 ℃， 均值为85 ℃；最大扭矩点出水温度为78 ℃~94.6 ℃，均值为86.6 ℃。两个试验数值均符合出水温度技术条件（77 ℃~95℃）的要求。

（2）整机120 h可靠性试验：发动机工作正常，试验过程及试验后拆检未发现气缸盖有漏油、漏水、漏气等相关品质故障；发动机功率、排放、油耗、出水温度（80 ℃~84 ℃）在技术条件范围内。

（3）整机300 h深度冷热冲击试验：该试验是射水孔结构优化后针对气缸盖进行的的专项考核试验，试验结论：整机性能检验项目试验结果为合格，整机可靠性检验项目检测结果为合格。关键考核件气缸盖试验过程正常无“三漏”现象，拆检未发现裂纹，试验件经过水压试验未发现渗漏现象。射水孔结构二次优化后的气缸盖，通过300 h深度冷热冲击试验，满足可靠性要求。

图14 二次优化的射水孔截面图

4 结构优化后气缸盖下水道芯的自动化生产

经过产品试验验证，射水道直铸结构最终采用二次优化方案。气缸盖毛坯在玉柴铸造事业部新技改升级的气缸盖自动化铸造生产线上组织生产。其制芯生产线采用LORAMENDI制芯中心SLC2-100L/CF射芯机实现制芯自动化，所有砂芯采用冷芯工艺。与其它三缸/四缸气缸盖一样，D30气缸盖下水道砂芯一盒四件，制芯单元的制芯循环节拍为40盒/小时，两个制芯单元同时制芯，与造型线一箱生产四件毛坯所用砂芯及其生产节拍80型/小时匹配。制芯过程用机器人实现整盒砂芯一次性整体取芯、一次性整体组芯、一次性整体浸涂等工序操作(图15)。

图15 D30气缸盖下水道砂芯自动化生产简图

5 结语

D30气缸盖射水孔结构优化活动，通过细致的铸造工艺性需求分析、严谨的结构改进方案设计、严格的产品试验验证得以实现。在铸造生产方面，该气缸盖采用射水孔新结构以来，已经实现了几十万件气缸盖毛坯的产出，这一活动不仅取消了原埋管气缸盖制取下水道芯一系列繁复的操作，使它可以实现自动化生产，优化了铸造生产流程，而且彻底解决了原先气缸盖射水孔烧结、漏水等铸造问题，为企业创造了可观的经济效益。

[1] 林琳.柴油机气缸盖水道芯的结构优化[J].中国铸造装备与技术，2012（5）：22-24.

[2] 中国机械工程学会铸造分会组编.铸造手册（第5卷）铸造工艺（第3版）[M].北京：机械工业出版社，2011.5： 44-70.

[3] 卫军朝，姚亮宇，周海涛等.燃气机气缸盖水腔流场及刚强度优化[J].机械设计与研究，2013（03）：97-100.

Structural optimization design for its castability of water-ejecting hole in D30 cylinder head

LIU Yi
(Guangxi Yuchai Machinery Co.,Ltd.,Yulin 537005,Guangxi,China)

According to the requirements of product function and casting process, the structural optimization design is brought out for the water-ejecting hole of D30 cylinder head, i.e. replacing the bend tube used as the water-ejecting hole in it with directly casting the hole. Also, CAE analysis of waterflow velocity field and reliability verifi cation test are done to aid in fi nishing the selection of product optimization scheme. As the result of all these actions, it comes true that the lower water jacket core of D30 cylinder head can be made by automatic production, and the casting defects are eliminated that easily caused by casting processes with bend tube.

cylinder head; water-ejecting hole; structural optimization design; casting process; bend tube; core; automatic production

TG242.7；

B；

1006-9658（2017）04-0041-04

10.3969/j.issn.1006-9658.2017.04.012

2016-12-26

稿件编号:1612-1625

刘毅（1969—），男，硕士，工程师，主要从事铸造工艺工装设计工作.