某型柴油机缸盖的工艺优化及生产验证

宋学恩，邢 伟，马素娟，王焕宁

（潍柴重机股份有限公司，山东潍坊 261108）

我厂生产一种柴油机缸盖（以下简称S缸盖），由于其结构复杂，铸造工艺较差，生产中存在断芯、气孔缺陷。本文针对S缸盖的铸造缺陷进行了分析，并提出了解决方案。

1 缸盖简介

该缸盖为四气门柴油机缸盖（具体结构见图1），毛坯重量为170kg，铸件最大轮廓尺寸为603mm×295mm×436mm，主要由进排气道、上下水腔、油腔、摇臂腔、螺栓孔等结构组成。

图1 缸盖毛坯三维图

2 原工艺方案及验证情况

图2 工艺方案

根据车间现场生产情况，采用碱性酚醛树脂砂工艺造型，水腔、气道等薄弱砂芯采用覆膜砂热芯盒机械制芯，其余厚大砂芯采用普通硅砂冷芯盒机械制芯[1]，1 箱 2 件，水平浇注，浇注温度 1350～1360℃，工艺方案见图2。

根据此工艺方案生产4箱8件缸盖，全部出现下水腔芯断芯（见图3），同时上平面均存在气孔缺陷（见图4）。

图3 断芯缺陷

图4 气孔缺陷

3 缺陷原因分析

3.1 断芯缺陷

（1）S缸盖产品设计下水腔工艺孔较小，导致下水腔芯工艺孔处强度较弱（下水腔芯结构和截面详见图5和表1）。砂芯工艺孔截面积和与砂芯体积比为1.22:1。

（2）S缸盖下水腔为非闭合环状结构，且在环状结构开口处存在厚大部位。在铁水浇注过程中，砂芯受到向上浮力，而开口两端Ⅰ、Ⅳ芯头位置类似杠杆结构末端，受到浮力作用最大。

3.2 气孔缺陷

S缸盖下水腔芯浇注过程中断芯，形成气体生成源，不断有气体溢出，形成气孔缺陷[2,3]。

4 工艺优化措施及验证

4.1 第一次工艺改进、验证及相关分析

（1）工艺改进：1）使用高温下强度更高的北京仁创高强度覆膜砂，替代普通覆膜砂，提高砂芯高温强度；2）在下水腔芯头Ⅱ对应的厚大位置使用芯撑，平衡厚大位置所受浮力。

图5 下水腔芯结构

表1 各工艺孔截面积和等效直径

（2）生产验证：按上述工艺生产4箱8件全部出现下水腔断芯缺陷，同时伴随螺栓孔附近气孔。

（3）原因分析：下水腔断芯主因是工艺孔尺寸较小，采取的措施不足以消除断芯风险。

4.2 第二次工艺改进及验证

（1）工艺改进：与产品设计部门沟通，增大下水腔工艺孔尺寸，将工艺孔截面积和与砂芯体积比设为1.58:1，详见表2。

表2 第二次改进各工艺孔截面积和等效直径

（2）生产验证：按以上工艺生产8箱16件，其中4件仍存在断芯缺陷，并伴随有气孔缺陷；另有6件有气孔缺陷但未断芯；其余6件无缺陷。

（3）原因分析：1）增大工艺孔尺寸能提高砂芯强度，降低断芯风险，但工艺保证系数仍不足；2）断芯缺陷是形成气孔的一个原因；但上平面螺栓孔位置无有效排气通道，无法顺利排出型腔气体也是原因之一[4]。

4.3 第三次工艺改进及验证

（1）工艺改进：1）在满足产品要求的前提下，进一步增大工艺孔尺寸（详见表3），砂芯工艺孔截面积和与砂芯体积比为2.91:1；2）在螺栓孔两侧增加4mm×8mm的排气通道（详见图6）。

（2）生产验证：生产8箱16件，均无断芯缺陷；其中8件螺栓孔增加排气通道无气孔缺陷，8件螺栓孔未加排气通道的有4件有气孔缺陷。

表3 第三次改进各工艺孔截面积和等效直径

图6 螺栓孔排气通道

（3）批量验证：按照螺栓孔增加排气通道工艺验证20箱40件，未出现气孔缺陷。

5 结论

（1）薄弱砂芯尤其是非封闭环状结构砂芯，需要在满足产品设计要求的前提下尽可能增大工艺孔尺寸。

（2）砂芯断芯极有可能伴随气孔缺陷的发生，同时在铸件上平面无有效排气通道也会出现气孔缺陷。

（3）产品设计需同时兼顾铸造工艺性，加强产品协同设计有助于新产品快速开发成功。