一种中速柴油发动机气缸盖的砂芯设计

摘要：本文介绍了一种中速柴油发动机气缸盖的结构特点，根据铸件的结构及质量要求，采用合理的砂芯分芯方案，设计了一种模块化的中速柴油发动机气缸盖砂芯，大大减少砂芯数量，简化气缸盖的组芯生产步骤，提高生产效率，降低生产难度。
关键词：气缸盖；砂芯设计；无模铸造；3D打印
A Sand Core Design Of Medium Speed Diesel Engine Cylinder Head
Tang Kungui¹
(Sichuan CSR Kocel Casting Co .,Ltd.,Ziyang641300,Sichuan,China)
Abstract: This paper mainly introduce the structure characteristic for one type of cylinder cover used for meduim-speed diesel engine. According to the structure and quality of the casting, the reasonable sand core is adopted for the design of medium speed diesel engine cylinder of a modular cover sand core. This design will greatly reduce the number of sand core, simplify the production process, improve production efficiency and reduce the production difficulty of the cylinder head.
Key words: Cylinder Cover  Sand core design  Containerless Casting  3D print
1.引言
240系列发动机是公司引进中车公司生产的产品，拥有近万台的市场保有量，其终端客户遍及全国，并出口中东、东南亚、非洲等十多个国家。公司目前生产的240系列发动机气缸盖(如图1所示)主要供给中车某公司。传统的气缸盖是以手工模具造型为主，由于气缸盖的结构复杂，其内部砂芯由上水腔、下水腔、进气道、排气道等多个造型较为复杂的结构单元构成(如图2所示)，在砂芯分芯设计时需要根据各个 组成结构设计相应的定位，从而造成砂芯数量多，尺寸控制困难，生产难度较大。                                                                         
为降低240气缸盖的生产难度，提高产品质量的生产效率，笔者公司成立项目组，利用公司引进国外的3D快速成形设备，将3D快速成形技术应用到气缸盖砂型铸造之中，代替传统手工模具造型、制芯，将3D打印技术与传统铸造工艺有机结合，实现无模铸造。
2.传统工艺生产的砂芯设计
传统手工造型需1个型腔作为所有砂芯的定位基准，内部砂芯数量多达24个左右(如图3所示)，壁厚控制采用多点定位，以及在合箱时通过不断用专用卡板测量型芯之间铸件的壁厚，调整砂芯位置来实现水腔的气道的尺寸控制，操作繁琐，并且由于定位过多导致累计误差超过铸件的公差要求，难以保障壁厚均匀，导致铸件打压渗漏而报废。
3.3D打印砂芯设计
气缸盖的主体结构由进排气道、上下水腔组成，并且上下水腔之间带有镀锌无缝钢管，利用3D打印快速成形技术在砂芯分芯时可回避传统工艺中要求分型面平直、尽量减少分型面数量的要求^[1]，仅需从以下几个方面考虑。
3.1 砂芯强度
气缸盖的内部砂芯结构中，上、下水腔及L形回油道砂芯的结构较为薄弱，容易在浇注过程中受铁液浮力作用而断裂上浮，导致铸件皮透而报废，因此在砂芯设计时需考虑保障气缸盖砂芯中水腔和L形砂芯的结构强度的方案。            图3 传统工艺的砂芯
3.2 尺寸精度
气缸盖的内部最薄部位是气道外壁，壁厚仅为8mm，并且水腔和气道均要进行压力试验，为保障气缸盖内腔壁厚及其它部位的尺寸精度，在砂芯设计时应尽可能的将多个结构单元组合形成整体砂芯，减少砂芯数量及各个相关结构单元之间的定位关系，以最少的砂芯组成铸型。
3.3 砂芯清理
气缸盖的内腔结构形状极为复杂，当把多个结构组合形成一个砂芯时，需保证能够将3D打印砂芯内腔每个角落的浮砂清理干净，并且可以目视检查到。为使砂芯能够清理干净，在不影响砂芯强度的情况下，可在大的砂芯中开设清砂口。
3.4 流涂
由于气缸盖的内腔存在多个凹面，为防止铸件在此粘砂，砂芯设计需保障在流涂时型腔内部所有表面均能够流上涂料，并且能够将涂料倾倒出来，保证各个凹面上无涂料堆积。
综上所述，气缸盖的砂芯由以下几个部分组成：
下水腔、进排气道和螺杆芯组成主体1#砂芯，通过将水腔与外壁相连整体打印，以保障水腔的强度，同时下水腔与进排气道形成一个整体，很好的保证了气道外壁的尺寸精度；为保证能够进行清砂检查和流涂时涂料倾倒，将1#砂芯中的一个螺杆处分割形成2#砂芯；上水腔形成3#砂芯，带出铸件的字号；盖板砂芯为4#及5#砂芯，带出顶面出气、发热冒口和浇注系统，具体如图4、图5、图6和图7所示。

图4 1#砂芯	图5 2#砂芯
图6 3#砂芯	图7 4#和5#砂芯

 
组成气缸盖回油道结构的L形砂芯(见图8)由于其结构特性，砂芯最小部位仅mm，非常容易断裂，为增加砂芯强度，在3D打印时增加树脂加入量，提高打印强度，同时在流涂过程中使用水基涂料，禁止使用醇基涂料，避免因烘干过程中的应力集中导致砂芯强度降低而断裂。
生产过程中操作者只需要将各个砂芯按照配合定位顺序叠放(见图9)，用卡具紧固，即可浇注。不同批次打印的砂芯可以通用互换，如果其中的某个砂芯报废，可以立即在次生产补缺，不需要全套报废。

图8 L型砂芯	图9 芯包

4.生产概况
利用3D打印快速成形技术实现气缸盖的成功试制，外观质量好，披缝少并且薄，容易清理。经过解剖验证，内腔壁厚尺寸符合图纸要求，尺寸精度可达GB/T 6414 CT9J级。生产至今质量稳定，共生产铸件64件, 解剖2件,加工报废2件,废品率3.13%。
5.结束语
采用3D打印生产气缸盖的砂芯，改变了传统铸造生产气缸盖的砂芯结构，尤其是对有渗漏要求的中速柴油机气缸盖，可将原手工木模生产的多个形成铸件主要内腔的砂芯合并成一个砂芯，解决了由于砂芯多、组芯累计误差超过尺寸公差范围导致气缸盖铸件报废问题，并且披缝少，外观质量好。
采用3D打印不需要模具，减少了生产成本投入和产品开发周期，提高了生产效率，降低了工人的劳动强度和对操作人员的技能要求。
采用3D打印生产的铸件尺寸精度高，比图纸要求的尺寸精度CT11级(GB/T 6414)提高了2个等级。
 
 
 
 
 
参考文献：
[1]中国机械工程学会铸造分会. 铸造手册-铸造工艺5 第3版. 北京： 机械工业出版社，2011。