大缸径柴油机机体大缸芯制芯工艺探讨

伍启华，王超，陈鹏，齐建，陈国清

潍柴动力股份有限公司 山东潍坊 261061

1 序言

随着经济高速发展，大型船舶远洋需求上升，大型发电设备需求量也越来越多，大缸径柴油机迎来爆发式增长。特别是缸径＞250mm的柴油机，毛坯重量超过10t，一般情况下，制约大缸径柴油机厂生产发动机产量的瓶颈是大型毛坯生产，因此能够保证机体、曲轴等大型毛坯的供应，成为生产出大型发动机的保障。

我公司一款V型大缸径柴油机，机体形成缸孔的大缸芯重量达到1.5～2t，砂芯轮廓尺寸达到2m×2m×0.5m。随着工业技术的进步，机体大缸芯制作经过了几种生产工艺的演变，在2000年前后，多采用缸筒和轴承挡部分分段式手工制芯工艺，然后再组芯生产；在2010年左右，随着模具设计、制作技术的飞速发展，一般采用自硬砂整体式手工制芯工艺，模具分上下两层或三层制作，方便填砂；2020年之后，工艺设备已经可以满足大型砂芯制芯要求，一些大型企业开始采用三乙胺冷芯工艺、大型制芯机制作柴油机机体大缸芯，大幅提高了效率，降低了劳动强度[1]。

2 分段式手工制芯工艺

2000年之前，柴油机对机体毛坯的尺寸精度要求不高，机体结构相对简单，清理空间相对较大，在制芯装备相对落后的情况下，工艺人员将柴油机机体每缸的大缸芯分成轴承挡芯、缸筒芯、凸轮轴芯及侧边芯等几部分分别制芯，采用手工自硬砂工艺，一般情况下芯盒采用木模的居多，个别效益较好的企业采用铝制芯盒。图1所示分别为轴承挡芯、缸筒芯、凸轮轴芯分体式手工制芯工艺。

图1 分体式手工制芯工艺

大缸芯分成多颗后，重量、体积相对变小，便于翻转转运、上涂料。制芯时方便布置冷铁、放置排气绳[2，3]。

制芯后单个芯手工刷醇基涂料，然后点燃表面烘干，再转运至研箱区域，将缸筒芯和轴承挡芯组装在一起，如图2所示。

图2 组芯示意

3 整体式手工制芯工艺

随着产品要求的提高，对铸件尺寸精度和内腔清洁度的要求也在不断提高，催生了模具制作技术不断发展。一是铝制模具代替木制模具，铝制模具具有木制模具重量轻的特点，同时兼顾强度要求，模具长期放置不变形，不受环境温度、湿度的影响；二是模具加工技术的不断提升，减少了人工打磨模具的工序，一方面大多数的模具边角可通过加工中心实现，另一方面高速铣床的出现减少了模具表面抛光工序[4]。随着铝制模具在大缸径机体铸件生产中的应用，开发出整体制芯工艺，即大缸芯的缸筒和轴承挡不再分开制芯，但仍然采用手工自硬砂工艺。

大缸芯整体制芯模具一般分成两层开合模，方便填砂，制芯时先将模具下半部分紧固，充填紧实后再将模具上半部分紧固，人工填砂。图3所示为整体式手工制芯工艺流程。

图3 整体式手工制芯工艺流程

整体式手工制芯工艺保留了自硬砂工艺的优点，兼顾了砂芯尺寸精度。

整体式手工制芯后，砂芯转运至合箱区域，人工刷醇基涂料（见图4），然后点燃表面烘干，砂芯直接用于下芯组芯，可减小缸筒、轴承挡多次组装造成的尺寸累积偏差。

图4 砂芯刷涂料

4 机器制芯工艺

自硬砂制芯工艺有其优点，制芯非常灵活，但其缺点同样明显，制芯时间一般在4～6h，制芯周期长，人工填砂，操作者劳动强度大。随着社会发展，以人为本的理念贯穿到工厂设计当中，为了满足降低劳动强度、改善工作环境、提升生产效率的需求，随之出现了大型制芯机生产大缸径柴油发动机机体砂芯的工艺。

机器制芯工艺：采用三乙胺冷芯工艺代替自硬砂工艺，实现大型机器制芯；采用大型桁架机械手自动浸涂砂芯工艺代替手工刷涂工艺。

为满足生产需求，我公司新增1台射砂量2500L的冷芯制芯机，射砂面积2500mm×2500mm，用于制作大型机体大缸芯，实现了整体制芯；制芯后采用3.5t大型桁架机械手自动取芯，进入修芯、组芯平台，需要人工修芯，人工组装冷铁芯以及无法开模的小砂芯；使用桁架机械手浸涂水基涂料，然后进窑烘干。

机器制芯工艺流程如图5所示。

图5 机器制芯工艺流程

砂芯烘干后直接用于下芯组芯，制芯浸涂料工序生产效率大幅提升，砂芯尺寸精度提升一个等级，铸件内腔清洁度得到保障。

5 制芯工艺综合对比

分段式手工制芯工艺、整体式手工制芯工艺和机器制芯工艺各具优缺点，是不同时代的铸件生产方式，有不同的应用场景，其工艺特点、综合应用效果对比情况分别见表1、表2。

表1 3种工艺特点对比

表2 3种工艺综合效果对比

从3种工艺对比看出，其适宜的应用产品如下。

1）分段式手工制芯工艺应用于量小、尺寸要求不高、结构相对复杂的铸件产品。

2）整体式手工制芯工艺适用于投资小、有一定产量的铸件产品。

3）机器制芯工艺适用于投资大、产量大、结构相对简单的铸件产品。

6 结束语

综上所述，3种制芯工艺各具优缺点，工艺设计时应针对不同铸件结构和质量要求，结合现场生产条件和制造成本，选择最优工艺。