刘继波，张聚辉，吕清轲，陈玉英

（1.潍柴重机股份有限公司滨海铸造厂，山东潍坊261108；2.潍柴动力（潍坊）铸锻有限公司，山东潍坊261001）

缸盖类热芯盒结构对砂芯质量的影响

刘继波1，张聚辉1，吕清轲2，陈玉英2

（1.潍柴重机股份有限公司滨海铸造厂，山东潍坊261108；2.潍柴动力（潍坊）铸锻有限公司，山东潍坊261001）

随着热芯盒制芯在铸造行业的广泛应用，芯盒的结构、种类不断增加，特别是“细长型”的芯盒结构，生产过程中出现的制芯问题更是层出不穷。通过介绍发动机气缸盖用砂芯在热芯盒制芯过程中常见的几种典型问题，对这些问题产生的原因进行分析，并提出一定的解决措施，总结出芯盒结构对砂芯质量的影响，以推广其适用范围。

热芯盒；制芯；砂芯缺陷；变形

热芯盒制芯由于具有生产效率高，生产周期短，砂芯质量高（强度高，表面光洁，尺寸精确），砂芯不易吸潮等特点[1]，在生产实践，特别是在气缸盖用复杂砂芯生产中应用广泛。

为适应产品的多样化，我厂近期开发使用了一种新型的热芯盒制芯机，最大射砂面积（左右×前后）：1 000 mm×100 mm，最大芯盒尺寸（长度×宽度×厚度）：1 100 mm×350 mm×（150+150）mm，与其他结构的热芯盒相比，此类热芯盒属于“细长型”，在加热状态下更易产生变形，且变形量更大，若设计时考虑不全面，将严重影响砂芯制芯质量。

1 热芯盒的变形

热芯盒制芯一般是在电或煤气加热情况下进行的，温度一般在200℃～300℃之间，所以热芯盒在反复加热冷却的工作环境下，有关的部件都会因为受热而膨胀变形。因此，在设计中必须充分考虑由热膨胀带来的影响，对芯盒结构进行优化改进，否则芯盒就会出现“咬死”、“起拱”、直线度与平面度超差等现象，轻则影响砂芯制芯质量，重则甚至导致芯盒报废。

影响热芯盒变形的原因较多，一般从以下几方面考虑：

1）模具的材质：不同的材料其强度、比热容、热膨胀、加工等性能不同，芯盒材料的选择就非常重要，直接影响模具的使用寿命以及砂芯的质量和成本。

2）模具的结构：设计时一般需考虑本体结构、定位机构、导向机构、顶芯复位机构、底框等连接机构。

3）模具的工作环境：一般包括加热方式、加热温度等，不同的加热方式、加热温度将导致模具的变形方向、变形量均会发生不同的变化。

4）其他因素：例如热处理不到位、设备老化磨损、加热装置加热不均（加热管）等等。

2 常见问题及解决措施

2.1 分型面整体合模不严

新制热芯盒在验证过程中经常存在分型面处整体间隙大，合模不严的现象，导致砂芯形成凹槽或产生厚大批缝造成尺寸超差，此种缺陷修补困难，极易造成砂芯报废，影响生产效率，严重时导致生产不出合格砂芯。

分型面大面积跑砂造成砂芯缺陷如图1所示。

图1 分型面大面积跑砂造成砂芯缺陷

2.1.1 原因分析

1）新制芯盒尺寸不合格

因加工精度不高，或芯盒本体在装配、抛光等后处理过程中过度打磨，造成芯盒尺寸超差，合模不严。

2）芯盒体发生热变形

如果芯盒材料不符合要求、工装设计不合理、本体热处理不到位或是芯盒加热方式不当，都极易造成芯盒变形，导致芯盒分型面间隙变大，跑砂。

3）设备原因

部分热芯盒射芯机由于使用时间较长，设备与芯盒支撑、定位等位置都有不同程度的磨损，导致芯盒安装到设备之后，芯盒分型面不能有效地配合，间隙过大，导致跑砂，严重者还会产生喷砂现象，使工作环境更加恶化。

2.1.2 解决措施

1）新制模具必须保证尺寸合格，在所有制作工序完成后，可通过三维坐标检测或三维光学扫描等措施，对模具尺寸进行严格把关。

2）热芯盒制芯在高温下生产，所以芯盒受热膨胀是必然的，因此解决芯盒变形主要以降低变形程度为主：

①选用合理的芯盒材料。因为热芯盒模具的工作条件十分恶劣，不仅在250℃左右受周期性的一定压力的高速砂流冲击和冲刷，同时还要提供热芯盒树脂固化所需的热源，故热芯盒材料应该选用比热容大、导热性好、热膨胀小，热稳定性好，在高温下具有较高的强度和耐磨性、耐腐蚀且易于加工等性能的材料[2]。我厂的热芯盒本体材质一般选择HT250或H13模具钢。

普通钢的导热性较好，但其比热容比铸铁小，铸造性能及机加工性较差，且变形大，成本高，故芯盒本体很少采用，主要于镶块、顶杆、定位销套等附件。

②芯盒本体预先进行热处理。以HT250热芯盒本体为例，在加工前必须进行退火热处理：加热至550℃～650℃，保温3 h～4 h，炉冷却到200℃后空冷，以减小芯盒本体的变形量。

③采用合理的加热方式。新制热芯盒在验证过程中应采取阶梯加热的方式，避免一次加热导致加热过快，芯盒变形。实践表明，阶梯加热的方式能有效减轻热芯盒变形倾向，延长芯盒寿命。

④芯盒设计时采取反变形。对于复制芯盒，可根据以往变形趋势，在工装制作时加一定反变形量，减小制芯过程中芯盒变形，此种方式主要根据经验确定。

3）合理的芯盒结构设计能够有效减轻芯盒变形程度，工装设计时应根据热芯盒设计原则结合实践经验进行设计。

4）由于设备原因导致的芯盒配合间隙过大，应该采取决调节热芯盒设备的方式来解决分型面合模不严。

2.2 分型面局部合模不严，芯盒本体发生“凹”或

“凸”变形

以我公司MRD20T热芯机用热芯盒为例，在制芯过程中，芯盒发生了不同程度的“凹”或“凸”热变形。同时，随着加热温度的不断递增，也会发生“凹凸交替”的变形。当加热温度180℃＜T＜220℃时，芯盒发生“凹”变形；当220℃＜T＜280℃“凸”变形，温度越高变形量越大，变形方式也越复杂，有时最大变形量到1.5 mm.如图2、3、4所示。

图2 芯盒本体发生“凹”变形

图3 芯盒本体发生“凸”变形

图4 工装变形导致的制芯跑砂

2.2.1 原因分析

在常温环境下，芯盒合模间隙在使用要求范围内，但经加热后芯盒本体发生了一定程度的变形。

2.2.2 解决措施

芯盒结构设计时可根据砂芯产品结构采用不同设计方案。

1）若产品结构为单体，可采用“分体”式的结构，如图5所示。

图5 芯盒本体为“分体”式结构

此结构的优点是：加热均匀，芯盒变形量小，而且合模间隙方便调节。随着加热温度的不断变化，芯盒的变形方式和变形量均随之不断变化，芯盒不同位置变形量也会不同，因此需要针对不同位置做出不同的调节。

缺点是：①因是电加热，加热管电线布置在芯盒底部，芯盒在不断的翻转工作过程中易磨损，使用寿命短；另外，此结构维修时不方便更换。②在使用过程中，合模间隙变化大，需不断调节。

2）若产品结构为单体，也可采用“整体”式的本体结构。

此类结构的优点是：模具验证合格后，合模间隙变化小，不需要经常调节；芯盒本体强度高，操作维修方便。

缺点是：因加热管横穿布置在芯盒体内，而加热管一般是中间温度高，顶端温度次之，接线端温度最低，每个区间的温差约有20℃，加热管长度越长温差越明显，这样就导致芯盒加热不均匀，变形量大。

此结构芯盒若要降低变形，除采取选择合适的材料、彻底的退火处理、合理的加热方式等措施外，还需进行合理的结构设计。经实践验证，以下结构设计可有效解决芯盒变形，提高砂芯成型率，如图6所示。

图6 单体产品用芯盒结构（单位：mm）

在整个芯盒体分型面侧均匀布置一条“缝”，宽度2 mm～3mm，深度为芯盒有效壁厚的2/3为宜，如图6a）中画圈的部分为防止应力集中影响模具使用寿命，在此缝的根部要钻通一个直径为6 mm～8 mm的孔。

3）若产品结构为连体，则必须采用“整体”式的本体结构。

此种结构的芯盒变形比较复杂，根据产品结构的不同，型腔内部掏空程度随之不同，在加热状态下可能发生“凹”变形或“凸”变形，甚至随着加热温度的递增也可能发生“凹凸交替”的变形，因此芯盒在结构设计时要充分考虑各种潜在风险。

实践验证发现，解决热芯盒变形最有效的方法之一就是加厚芯盒体的壁厚，芯盒体的强度得到提高，变形明显降低。但是，在现实的生产中受制芯设备制约，芯盒体的壁厚不能随意增大。仍以MRD20T热芯机为例，要求芯盒最大外形尺寸为1 100 mm× 400 mm×（200+200）mm，最大芯盒重量600 kg，若芯盒体壁厚尺寸太大，将会超出该设备的额定载荷，甚至导致工装无法使用而报废。

除适当增加芯盒壁厚外，以下几种结构形式也可有效降低整体“细长型”芯盒变形对砂芯质量带来的影响。以我公司某产品用热芯盒为例，为缓冲加热过程中芯盒本体内部的应力集中，减小变形量，在芯盒本体背部采用“割缝”的方法。如图7中画圈位置所示。

2.3 芯盒内腔局部间隙大，制芯局部跑砂。

新制热芯盒在验证过程中常常出现由于排气不畅或内腔局部配模不严、间隙大等原因导致出现射砂不实缺陷，导致砂芯废品率高，验证周期变长。如图8所示。

图7 连体产品用芯盒结构

图8 砂芯射不实

2.3.1 原因分析

1）排气塞或排气槽过少，排气能力不足，射砂过程中气体不能及时排出。

2）内腔局部配模不严、间隙大（大于0.1 mm），射砂过程后期高气压的压缩空气将原本填满的砂子吹到其他位置，导致此处砂芯不完整。

3）排气位置不合理导致射砂不实。

2.3.2 解决措施

1）排气不足解决措施

①可在射砂不实处增加排气塞或排气槽；

②通过顶芯杆加强排气。

a）修磨顶芯杆。工装部分位置顶芯杆可以做成多边形状，利用顶芯杆间隙进行排气。

b）顶芯杆增加排气塞。在设计时可将顶芯杆设计成带有排气塞方式来增加排气，如图9所示。

图9 顶芯杆加排气塞（单位：mm）

2）热芯盒在高温状态下，内腔局部配合间隙加大、配模不严是不可避免的，特别是壁厚较小的部位。要想解决这种问题就需要一些技巧性的结构设计，如图10所示。通过实践证明，此局部凹凸配合结构有效解决了此类缺陷。

图10 芯盒局部凹凸配合结构

3）芯盒排气位置如果设置不合理会导致射砂过程中该处射砂压力减小，充填能力变差。如图11所示砂芯，在如图所示两处加排气槽后，射砂时气体从排气槽排出，砂子充填芯头处压力减小，射砂不实。验证时将该处排气槽封住后再加顶芯杆排气，射不实缺陷得到解决。

图11 排气位置不合理导致射砂不实（单位：mm）

3 结束语

制芯过程中砂芯缺陷的产生原因复杂，根据遇到的问题，采取合理的解决措施，能够减小模具验证周期，提高砂芯出品率，以保证生产顺利进行。

参文考献：

［1］中国机械工程学会铸造分会.铸造手册:第五卷：铸造工艺［M］.北京：机械工业出版社，2003：1.

Influence of Hot Core Box Structure on the Quality of Sand Core

LIU Ji-bo1，ZHANG Ju-hui1，LV Qing-ke2，CHEN Yu-ying2
（1.Binhai Foundry，Weichai Heavy machinery CO.，LTD.，Weifang Shandong 261108，China；2.Wetchai Power Casting and Forging CO.，LTD.，Weifang Shandong 261001，China）

As the hot core box coremaking widely being used in foundry industry，the structure and type of the core box is increasing and many core making problems appears in the production，especially for“slim”type core box.In this paper，several typical problems in the hot core box coremaking of the engine cylinder head sand core were introduced and analyzed.The solving measures were put forward and the influence of the core box structure on the quality of the sand core was summed up，which make for its application field.

hot core box，core，sand core defect，deformation

TG242.7+1

A

1674-6694（2017）01-0016-04

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2017.01.006

2016-10-11

刘继波（1977-），男，硕士，工程师，主要从事铸造工艺研究和管理工作。