CN111761032B - 用大型柴油机机体复杂凸轮轴冷芯盒砂芯铸造的方法 - Google Patents

Abstract

提供一种用大型柴油机机体复杂凸轮轴冷芯盒砂芯铸造的方法，利用射芯机冷芯盒制芯，芯砂发气量低、流动性好、易于成型紧实、芯盒不易变形、砂芯尺寸精度高、表面光洁、溃散性和退让性好的优点，在外模侧面实现机体不同功能部位关键尺寸要素的整体定位；根据凸轮轴部位的具体形状、位置、大小，采用内、外冷铁平衡厚大孤立部位的热节；将冷芯盒砂芯内部气体通道连接成网，将砂芯气体通道与上层砂箱侧面出气孔连接，实现砂芯内气外引，提高机体的尺寸精度和内外部质量。

Description

用大型柴油机机体复杂凸轮轴冷芯盒砂芯铸造的方法

技术领域

本发明属于铸造技术领域，具体涉及一种大型柴油机机体复杂凸轮轴冷芯盒砂芯的制作方法。

背景技术

某型柴油机机体属于大型复杂球墨铸铁件，机体最大轮廓尺寸：4895× 1536×1287，要求铸造偏差按ISO8062中的CT10执行，机体结构复杂，腔体、搭子数量多，壁厚相差悬殊，尺寸精度要求高。

凸轮轴孔是柴油机机体的三大重要孔系之一，凸轮轴腔内部有两层结构，下层以挺柱顶升结构为主，上层以凸轮轴孔结构为主，内部形状结构复杂，搭子数量多，壁厚相差悬殊，挺柱顶升结构、缸盖螺栓搭子部位直径达100 左右。要求进行超声波探伤、磁粉等检查，内外部质量要求高。

现有使用的木质模具强度和刚度低，受温度、湿度影响大，加之冷铁设置不合理，砂芯内部出气不畅等，造成机体凸轮轴腔尺寸控制难度大，质量问题多，加工后常出现观察窗口壁薄、搭子钻穿，钻孔偏离中心及缸盖螺栓孔、凸轮轴顶升孔、凸轮轴孔气孔、缩松等铸造缺陷。因此有必要提出改进。

发明内容

本发明解决的技术问题：提供一种大型柴油机机体复杂凸轮轴冷芯盒砂芯的制作方法，本发明通过综合射芯机冷芯盒、分立制芯、统一定位，内外冷铁、平衡热节，钻孔联网、内气外引相结合结构方法，解决了大型复杂机体配箱过程尺寸控制难度大，质量问题多，加工后常出现凸轮轴、曲轴观察窗口壁薄、搭子钻穿，钻孔偏离中心、厚大部位缩松、凸轮轴轴孔气孔等铸造缺陷，机体批量生产质量稳定，大幅提高了机体的尺寸精度和表面质量。

本发明采用的技术方案：一种大型柴油机机体复杂凸轮轴冷芯盒砂芯的制作方法，利用射芯机冷芯盒制芯，在外模侧面实现机体不同功能部位关键尺寸要素的整体定位；根据凸轮轴部位的具体形状、位置、大小，采用内、外冷铁平衡厚大孤立部位的热节；将冷芯盒砂芯内部气体通道连接成网，将砂芯气体通道与上层砂箱侧面出气孔连接，实现砂芯内气外引；

具体包括以下步骤：

第一步：冷芯盒砂芯分割；

冷芯盒砂芯模具沿挺柱顶升结构底部平面进行分割，分为上层凸轮轴砂芯和下层凸轮轴砂芯两部分，下层凸轮轴砂芯结构以挺柱顶升搭子为主，上层凸轮轴砂芯结构以凸轮轴孔结构为主；

第二步：冷芯盒砂芯定位；

所有冷芯盒砂芯在外模底部和侧面采用统一定位基准，使机体的配箱基准、划线基准、设计基准统一，下层凸轮轴砂芯结构采用凸轮轴顶升孔随形芯头在外模底部定位，上、下层凸轮轴砂芯分别沿凸轮轴观察窗口向外出芯头在外模侧面进行定位；

第三步：冷芯盒砂芯制作；

建立三维模型，对冷芯盒砂芯内活块进行合理分割，根据三维实体模型采用NC技术加工，采用三坐标测量仪测量模具形位尺寸；

第四步：冷铁设置；

在凸轮轴孔内侧及端面、缸盖螺栓孔搭子外侧面采用外冷铁进行激冷，凸轮轴的挺柱顶升结构部位采用外冷铁对热节部位进行分断，顶升孔搭子内部采用内冷铁直击热节中心部位，消除凸轮轴厚大部位的热节；

第五步：制芯工艺；

1)准备：对芯盒、工装、气路、原砂控制、树脂组分配比、射砂压力、吹气压力进行检查设定；

2)工艺步骤：

按照配料—混砂—树脂砂吹入芯盒—固化型芯—去除氨气味—开模取芯的工艺步骤实施；

第六步：出气通道；

沿冷芯盒砂芯芯头方向钻孔到冷芯盒砂芯内部关键部位的预定深度，连通冷芯盒砂芯内部的出气通道，沿冷芯盒砂芯的芯头侧面部位通过尼龙绳与上层砂箱侧面出气孔连接，实现砂芯内气外引；

第七步：冷芯盒砂芯存放：保存在干燥的地方，当空气相对湿度RH大于 80％时，存放时间不大于48小时，当空气相对湿度RH小于80％时，存放时间不大于一周；

第八步：涂料；

砂芯用醇基涂料，第一遍涂刷波美度60～65的醇基锆英粉涂料后点燃，待熄灭后砂芯表面降至室温后打磨平整；第二遍涂刷波美度40～45的醇基锆英粉涂料后点燃，第三遍涂刷波美度40～45的醇基锆英粉涂料，涂刷完后铸型表面不应有流痕，注意砂芯芯头部位不能有涂料；

第九步：砂芯烘干：冷芯盒砂芯烘干温度160～180℃，保温时间为2小时；

第十步：配箱、浇注。

上述第一步中，冷芯盒砂芯的结构如下：

1)射砂位置；

下层凸轮轴砂芯的射砂面选在挺柱顶升搭子底部平面向下，上层凸轮轴砂芯的射砂面选在曲轴腔平面向下；

2)射砂嘴；

射砂嘴的数量和布置要根据气流的走向，使射砂时砂流充盒充分，保证能使整个砂芯致密，还要保证催化剂能均匀到达砂芯的每个部位，并且位置适当；

射砂嘴面积计算：

射砂嘴面积S_射＝(砂芯重量)公斤×2.2磅/公斤×(最小面积)平方英寸/磅。

面积最小定律：大型厚实的砂芯要求至少0.2平方英寸/磅砂。

3)进排气；

进气和排气塞的数量和布置要保证能使整个砂芯致密，保证催化剂能均匀到达砂芯的每个部位；排气孔位置以能达到获得完整砂芯的目的，安放在砂流交汇处、深凹处、芯盒最深部位，并且位置适当；排气孔的面积要小于进气孔面积，排气塞远离进气孔，不能布置在射砂嘴的正下方；

进、排气口面积计算：

进气口面积S_进＝(砂芯重量)公斤×2.2磅/公斤×(最小面积)平方英寸/磅；

排气口面积S_排＝(砂芯重量)公斤×2.2磅/公斤×(最小面积)平方英寸/磅×系数；

面积最小定律：大块砂芯每磅至少0.25平方英寸进气面积，排气面积一定小于进气面积，是进气面积的60～80％；

另外，对冷芯盒砂芯进行密封结构、拔摸斜度、加工余量、工艺补正、坭芯间隙的合理设计。

上述第四步中，外冷铁材质为铸铁，工作面要求光洁、平整、无气孔缺陷，使用前进行喷丸处理，为保证冷铁在砂芯中的稳固，工作面四周有一定的拔模斜度；

1)外冷铁：

不同部位外冷铁的厚度尺寸T的计算过程如下：

T＝t·T_热节；

上式中，t为厚度系数，取值范围为0.3≤t≤1.0，T_热节为铸件壁厚或热节圆直径；

根据凸轮轴腔内部不同热节部位的具体位置、形状、大小，进行每个芯盒冷铁的布置：

2)内冷铁：

内冷铁材质为低碳钢，加工符合要求后，在盐酸中除锈，清水清洗后进行镀锡处理，配箱过程中在砂芯相应位置安放稳固；

内冷铁的尺寸d的计算过程如下：

d＝p·T_热节；

上式中，p为厚度系数，取值范围为0.3≤p≤1.0，T_热节为铸件壁厚或热节圆直径。

本发明与现有技术相比的优点：

1、本方案遵循机体设计集成化原理，采用冷芯盒将机体凸轮轴腔不同功能部位分立制芯，利用机体侧面窗口出芯头和机体主体砂芯等共同在外模侧面采用统一基准定位，实现机体不同功能部位关键尺寸要素的整体定位，提高机体的尺寸精度和表面质量；

2、本方案对于凸轮轴部位存在的挺柱顶升结构的较大孤立热节，通过采用外冷铁从中间部位分断热节，内冷铁直击热节中心部位的方法进行消除，实现机体凸轮轴关键部位厚大孤立热节的内部致密，无缺陷；

3、本方案对于结构复杂、整体尺寸厚大且与外部相对孤立，铁水包覆后大量发气无法及时排出型腔的砂芯，通过采用大功率手枪钻及加长钻头施钻，将厚大冷芯盒砂芯内部气体通道联接成网，通过在砂芯芯头侧面沿外模向上敷设尼龙绳，通至上层砂箱侧面出气孔引出铸型外，实现大型机体底层复杂砂芯的内气外引，解决采用冷芯盒砂芯后凸轮轴孔轴孔部位存在的气孔质量问题。

附图说明

图1为本发明中冷芯盒砂芯在机体模具中的布置结构示意图；

图2为本发明图1中的B-B向结构剖视图；

图3为本发明图1中的C-C向结构剖视图；

图4为本发明图1中的D-D向结构剖视图。

具体实施方式

下面结合附图1-4描述本发明的实施例。

一种大型柴油机机体复杂凸轮轴冷芯盒砂芯的制作方法，利用射芯机冷芯盒制芯，芯砂发气量低、流动性好、易于成型紧实、芯盒不易变形、砂芯尺寸精度高、表面光洁、溃散性和退让性好的优点，在外模侧面实现机体不同功能部位关键尺寸要素的整体定位；根据凸轮轴部位的具体形状、位置、大小，采用内、外冷铁平衡厚大孤立部位的热节；将冷芯盒砂芯内部气体通道连接成网，将砂芯气体通道与上层砂箱侧面出气孔连接，实现砂芯内气外引，提高机体的尺寸精度和内外部质量。本实施例是以某型柴油机的制芯方法为例进行具体说明，具体步骤如下：

第一步：冷芯盒砂芯分割；

凸轮轴腔是机体重要部位，模具轮廓较大，尺寸控制要求精度高，内部形状复杂，在保证模具强度、刚度和外观质量的同时，模具结构形式应先进、可靠、合理，模具有良好的使用性能、安全性、维修性和一定的生产效率。

冷芯盒砂芯模具沿挺柱顶升结构2底部平面进行分割，分为上层凸轮轴砂芯3和下层凸轮轴砂芯4两部分，下层凸轮轴砂芯4结构以挺柱顶升搭子为主，上层凸轮轴砂芯3结构以凸轮轴孔结构5为主；

1)射砂位置；

下层凸轮轴砂芯4的射砂面选在挺柱顶升搭子底部平面向下，上层凸轮轴砂芯3的射砂面选在曲轴腔平面向下；

2)射砂嘴；

射砂嘴的数量和布置要根据气流的走向，使射砂时砂流充盒充分，保证能使整个砂芯致密，还要保证催化剂能均匀到达砂芯的每个部位，并且位置适当。防止冷芯盒凸出部位磨损，避免砂流直接冲到冷芯盒凸出部分、芯盒斜面和抽芯棒。

通常采用直通大内径5/8至5/4英寸的大射嘴，低吹砂压力、低砂速、低磨损、少清理，有利于延长芯盒的使用寿命，提高砂芯的紧实度。

射砂嘴面积计算：

射砂嘴面积S_射＝(砂芯重量)公斤×2.2磅/公斤×(最小面积)平方英寸/磅。

面积最小定律：大型厚实的砂芯要求至少0.2平方英寸/磅砂。

针对本实施例中的某型柴油机，

实际选用最小面积：0.25平方英寸/磅砂。

下层凸轮轴砂芯4：(45公斤)：

下层凸轮轴砂芯4所需射砂嘴面积：S_下射＝45×2.2×0.25＝24.8，

实际选用：20个φ5/4＂，面积为24.5。

其中，芯头部位射砂嘴φ5/4＂，分两排，每排5个，共10个。

型内部位射砂嘴φ5/4＂，分两排，每排5个，共10个，根据具体形状均匀摆放。

上层凸轮轴砂芯3：(55公斤)：

上层凸轮轴砂芯3所需射砂嘴面积：S_上射＝55×2.2×0.25＝30.3，

实际选用：25个φ5/4＂，面积为30.7。

其中，芯头部位射砂嘴φ5/4＂，分三排，每排5个，共15个。

型内部位射砂嘴φ5/4＂，分二排，每排5个，共10个，根据具体形状均匀摆放。

3)进排气；

芯盒腔内要求正压，以促使氨气渗入砂的混合物中，在砂芯的一面全充满催化剂气体，合理布置排气孔的大小及位置，使气体均匀通过砂芯。进气和排气塞的数量和布置要保证能使整个砂芯致密，还要保证催化剂能均匀到达砂芯的每个部位。

排气是冷芯盒的关键，是决定砂芯成型及外观质量的关键，排气孔位置以能达到获得完整砂芯的目的，应尽量安放在砂流交汇处、深凹处、芯盒最深部位，并且位置适当。排气孔的面积要小于进气孔面积，一般排气孔面积为进气孔面积的60～80％。排气塞远离进气孔，不能布置在射砂嘴的正下方，避免三乙胺硬化中流经芯砂路径短，砂芯得不到有效硬化。

进、排气口面积计算：

进气口面积S_进＝(砂芯重量)公斤×2.2磅/公斤×(最小面积)平方英寸/磅

排气口面积S_排＝(砂芯重量)公斤×2.2磅/公斤×(最小面积)平方英寸/磅×系数

面积最小定律：大块砂芯每磅至少0.25平方英寸进气面积，排气面积一定小于进气面积，通常是进气面积的60～80％。

针对本实施例中的某型柴油机，

实际选取：最小进气面积0.25平方英寸，排气孔面积是进气孔面积的60％。

下层凸轮轴砂芯4(45公斤)：

下层凸轮轴砂芯4所需进气面积：S_下进＝45×2.2×0.25＝24.8mm²，

实际选用：20个φ5/4＂，面积为24.5mm²。

其中，芯头部位进气孔φ5/4＂，分两排，每排5个，共10个。

型内部位进气孔φ5/4＂，分两排，每排5个，共10个，具体位置同进气嘴。

下下层凸轮轴砂芯4所需排气面积：S_下排＝24.5×0.6＝14.7mm²，

实际选用：排气塞直径φ20mm，数量30个，面积为14.6mm²。

上上层凸轮轴砂芯3：(55Kg)：

上层凸轮轴砂芯3所需进气面积：S_上进＝55×2.2×0.25＝30.3mm²，

实际选用：25个φ5/4＂，面积为30.7mm²。

其中，芯头部位进气孔φ5/4＂，分三排，每排5个，共15个。

型内部位进气孔φ5/4＂，分二排，每排5个，共10个，具体位置同进气嘴。

上层凸轮轴砂芯3所需排气面积：S_上排＝30.7×0.6＝18.4mm²

实际选用：排气塞直径φ20mm，数量38个，面积为18.5mm²。

另外，顶杆和顶杆孔的间隙也是排气的主要部分，顶杆与顶杆孔的间隙(单边)选0.10～0.15mm，排气塞的缝隙尺寸要比砂粒直径小，一般不超过0.3mm，以防止芯砂进入塞缝造成堵塞，连续制芯过程还要对塞缝进行及时清理，以免造成局部砂芯缺陷。

冷芯盒砂芯1设计参数(射砂位置、射砂面积、排气位置、排气面积等)；

；

；

4)密封；

冷芯盒砂芯1的密封是决定砂芯成型及外观质量的关键，除射嘴处、分盒面密封外，每个芯腔分别密封，定位销、复位杆处也需要单独密封。

5)拔摸斜度：底部芯头部位，拔摸斜度取7°，侧面芯头部位，拔摸斜度取3°，其他部位取0°30′～1°。

6)加工余量：铸件底面10mm，铸件侧面12mm，凸轮轴内孔由12mm过渡到15mm，其余内孔由10mm过渡到12mm。

7)工艺补正：为防止铸件钻孔的搭子位置偏差，钻孔的搭子周围工艺补正量3mm。为防止铸件宽度方向的尺寸误差，在观察窗口内侧平面工艺补正量 2mm。

8)砂芯间隙：水平位置砂芯之间的间隙各取1mm，垂直位置砂芯之间在下部砂芯取2mm，砂芯与外模底面之间的间隙在外模取1mm，砂芯与外模侧面之间的间隙在外模取2mm，砂芯填砂面留2mm的分芯负数。考虑涂料的影响，砂芯单边涂料层厚度按0.5mm。在外模与芯头配合部位底部做出2×2mm的集砂槽6。

第二步：冷芯盒砂芯定位；

实现配箱基准与划线基准、设计基准的统一，是大型复杂机体模具制作成功的关键。所有冷芯盒砂芯在外模底部和侧面采用统一定位基准，使机体的配箱基准、划线基准、设计基准统一，下层凸轮轴砂芯4结构采用凸轮轴顶升孔随形芯头在外模底部定位，上、下层凸轮轴砂芯分别沿凸轮轴观察窗口向外出芯头在外模侧面进行定位。并将包括凸轮轴、主体、缸孔、气腔等内腔砂芯在外模底部和侧面进行统一定位，实现机体不同部位关键尺寸要素的整体定位，保证整体尺寸的准确性。

1)下层凸轮轴砂芯；

针对本实施例中的某型柴油机，采用凸轮轴底面(φ114mm增加加工余量) φ90mm及联通的φ90mm八字形孔随型出高度30mm、斜7度的定位芯头在外模底部进行定位，外模做出配合芯座，配合面间隙1mm。凸轮轴侧面随凸轮轴观察窗口形状出长度100mm的芯头。其中，与外模侧面定位部分长度50mm、宽度140mm(芯头中心向两边各70mm)，与芯座三个配合面均取斜3度。外模做出配合芯座，与芯头三个配合面均取间隙2mm，芯座边沿做出集砂槽6。

2)上层凸轮轴砂芯；

凸轮轴侧面随凸轮轴观察窗口形状出芯头，其中，与外模侧面定位部分长度50mm、宽度140mm(芯头中心向两边各70mm)，与芯座三个配合面均取斜 3度。外模做出配合芯座，与芯头三个配合面均取间隙2mm。

第三步：冷芯盒砂芯制作；

建立三维模型，对砂芯内活块进行合理分割，根据三维实体模型采用NC 技术加工，采用三坐标测量仪测量模具形位尺寸。

冷芯盒模具结构：框架结构，以减少变形，材料：ZL107。配套射芯机类型：100立升。

芯盒工作面尺寸偏差按GB/T1800.3-1998公差与配合中IT11级精度制造。芯盒工作面尺寸偏差一般取负值，凸出部分取正值，凸台中心距≤500mm,尺寸偏差为±0.15mm。中心距＞500mm,尺寸偏差为±0.20mm。

模具工作表面、分型面、活块配合面表面粗糙度Ra3.2um，模具定位销孔表面粗糙度Ra1.6um，模具分模面平面度＜0.12mm。涂料层厚度预留量按0.5mm 要求制做。

射砂口和排气塞要确保射芯密实，模具使用一年后，经检验变形量≤ 0.2mm。

第五步：冷铁设置；

冷铁对于加快铸件热节部位的冷却速度，增大铸件表面和中心的温度梯度，平衡整个铸件温度场，提高石墨化膨胀的利用程度有很重要作用。

在凸轮轴孔解结构5内侧及端面、缸盖螺栓孔搭子外侧面采用外冷铁进行激冷，凸轮轴的挺柱顶升结构2部位采用外冷铁对热节部位进行分断，顶升孔搭子内部采用内冷铁直击热节中心部位，消除凸轮轴厚大部位的热节。

外冷铁材质为铸铁，工作面要求光洁、平整、无气孔缺陷，使用前进行喷丸处理，为保证冷铁在砂芯中的稳固，工作面四周有一定的拔模斜度。

1)外冷铁：

不同部位冷铁的厚度尺寸T的计算过程如下：

T＝t·T_热节；

上式中，t为厚度系数，取值范围为0.3≤t≤1.0，T热节为铸件壁厚或热节圆直径。

根据凸轮轴腔内部不同热节部位的具体位置、形状、大小，进行每个芯盒冷铁的布置：

(1)1#随形冷铁8：T₁＝t₁·T_热节1，t₁＝0.75，T_热节1＝35，则T₁＝26.3，圆整，T₁＝25，面积80×80，数量1块，放置于上层凸轮轴孔侧面部位；

(2)2#随形冷铁9：T₂＝t₂·T_热节2，t₂＝0.75，T_热节2＝35，则T₂＝26.3，圆整T₂＝25，面积80×80，数量1块，放置于上层凸轮轴孔侧面部位；

(3)3#扇形冷铁10：T₃＝t₃·T_热节3，t₃＝0.75，T_热节3＝35，则T₃＝26.3，圆整T₃＝25，宽度35，夹角50°，数量2块，放置于上层凸轮轴孔侧面部位；

(4)4#随形冷铁11：T₄＝t₄·T_热节4，t₄＝0.75，T_热节4＝35，则T₄＝26.3，圆整T₄＝25，面积60×50，数量4块，放置于上层凸轮轴孔侧面部位。

(5)5#随形冷铁12：T₅＝t₅·T_热节5，t₅＝0.50，T_热节5＝58，则T₅＝29，圆整T₅＝30，面积40×40，数量2块，放置于上层凸轮轴观察窗口侧面搭子部位。

(6)6#随形冷铁13：T₆＝t₆·T_热节6，t₆＝0.40，T_热节6＝75，则T₆＝30，面积85 ×65，数量2块，放置于下层凸轮轴顶升结构搭子侧面部位。

(7)7#随形冷铁14：T₇＝t₇·T_热节7，t₇＝0.35，T_热节7＝95，则T₇＝33，圆整T₇＝30，面积90×80，数量1块，放置于下层凸轮轴缸盖螺栓孔搭子7侧面部位。

(8)8#随形冷铁15：T₈＝t₈·T_热节8，t₈＝0.35，T_热节8＝95，则T₈＝33，圆整T₈＝30，面积90×40，数量1块，放置于下层凸轮轴缸盖螺栓孔搭子侧面部位。

(9)9#随形冷铁16：T₉＝t₉·T_热节9，t₉＝0.35，T_热节9＝95，则T₉＝33，圆整T₉＝30，面积90×35，数量1块，放置于下层凸轮轴缸盖螺栓孔搭子侧面部位。

2)内冷铁：

内冷铁材质为低碳钢，加工符合要求后，在盐酸(HCL)中除锈，清水清洗后进行镀锡处理，配箱过程中在砂芯相应位置安放稳固。

内冷铁的尺寸d的计算过程如下：

d＝p·T_热节；

上式中，p为厚度系数，取值范围为0.3≤p≤1.0，T_热节为铸件壁厚或热节圆直径。

内冷铁17：d＝p·T_热节，p＝0.25，T_热节1＝104，则d＝31.2，圆整，d＝30，则，直径φ30mm，长度165mm，其中，芯头部分长60mm，数量2块。

摆放位置：配箱前插入下层凸轮轴砂芯顶升孔芯头内，插入深度60mm，无松动，内冷铁顶面距离坭芯顶面10mm。

第五步：制芯工艺；

冷芯盒制芯工艺过程控制的总体要求：以控制水份危害为主要考量，综合控制温度、压力、时间及工装、气路等要素。

冷芯盒工艺吹气固化是整个工艺过程中最主要的工艺过程，就是在一定的温度、压力条件下，使催化剂雾化，历经一定的时间，充满并均布整个型腔，使型腔中的砂粒和树脂之间形成粘合力，合理设置射砂和吹气两个过程，是保证制芯过程质量稳定的关键。

1)准备；

(1)芯盒、工装检查：芯盒内是否清洁干净；脱模剂是否喷刷；射砂班、上顶芯板(吹氨板)与上芯盒之间及上下芯盒本身是否密封，密封圈是否老化；射砂嘴密封嘴有无缺损；

(2)气路检查：尾气处理系统是否正常，压缩空气是否干燥，常压下空气漏点应≤-45℃；三乙胺发生器预热到90～110℃(三乙胺气化点为87～89 ℃)。

(3)原砂控制：烘干型檫洗砂，粒度：40/70，SiO2含量≥90％，含泥量≤0.3％，含水量≤0.3％，微粉含量≤0.5％。砂温要求在0～40℃，理想温度 20～30℃，冬季将砂温控制在30～35℃。砂温影响遵循10℃原则，即砂温每增加10℃，将会使树脂反应增加1倍，同样，砂温每降低10℃，将会使树脂反应减少1倍。根据砂温对树脂加入量进行调整。

(4)树脂组分配比；

冷芯盒树脂包括组分Ⅰ和组分Ⅱ两个部分，组分Ⅰ为冷芯盒树脂，其主要成分为本醛基的酚醛树脂；组分Ⅱ活化剂，其主要成分为聚异氨酸脂，两个组分均是液体，其中组分Ⅰ是淡黄色，组分Ⅱ是深褐色。树脂应存放在阴凉处，组分Ⅱ应严禁与水混合接触。组分Ⅰ增加，初强度上升，韧性下降。组分Ⅱ增加，中强度上升，发气量增加，组分Ⅰ：组分Ⅱ在(60～40)％：(40～ 60)％之间变化。

(5)射砂压力；

为保证射砂紧密，采用不同的射砂压力，一般为0.2～0.5MPa，最好在 0.25～0.35MPa。较低的射砂压力可减少压缩空气用量，减少芯盒磨损，延长芯盒使用寿命，减少芯盒排气塞的数量，降低芯盒制造费用和维护费用。同时，芯砂的平稳充型不仅可以使型芯密度及尺寸保持一致，还可延长芯砂的可使用时间。

(6)吹气压力；

吹氨硬化分为两个步骤，低压吹氨，通氨硬化0.15～0.3MPa，高压吹气，排气清洗0.2～0.3MPa。开始导入催化剂时，型芯还未固化，如压力过高，会导致型芯表面凹坑，随着型芯的固化，压力过度到高压并维持足够时间，一方面时催化剂贯穿型芯截面使型芯充分固化，一方面将多余催化剂排除型腔，获得表面良好的型芯。

2)工艺步骤：

(1)配料；

原砂：大林檫洗砂，粒度：40/70，SiO2含量≥90％，含泥量≤0.3％，含水量≤0.3％，微粉含量≤0.5％。砂温20～30℃。

组分Ⅰ(酚醛树脂)：HA树脂5388，

组分Ⅱ(异氰酸酯)：HA活化剂5828，

添加剂：VL14000。

(2)混砂；

将原砂+组分Ⅰ+组分Ⅱ+添加剂，组分Ⅰ、Ⅱ组成比例为1：1，加入量分别为原砂重量1.2～1.5％，添加剂，加入量为原砂重量5％，进行混砂30～60s 出砂。

(3)树脂砂吹入芯盒；

下层凸轮轴砂芯射砂压力0.3MPa，射砂时间3s；上层凸轮轴砂芯射砂压力0.3MPa，射砂时间3.5s。

(4)固化型芯：将三乙胺雾化并于压缩空气混合后，吹气态氨固化；

下层凸轮轴砂芯吹氨压力0.2MPa，达到最终压力时间6s，吹氨时间5s；上层凸轮轴砂芯吹氨压力0.2MPa，达到最终压力时间5s，吹氨时间6s。

(5)去除氨气味：吹压缩空气洗涤，使余气净化；

下层凸轮轴砂芯吹气压力0.3MPa，吹气时间10s；上层凸轮轴砂芯吹气压力0.3MPa，吹气时间15s。

(6)开模取芯。

冷芯盒制芯工艺参数：

；

其余芯盒用于树脂砂手工制芯，外模采用树脂砂工艺造型。

组分Ⅰ和组分Ⅱ的反应过程存在前、后两期固化，在催化剂的作用下快速固化形成出气强度仅占整个终强度的50～75％，还有25～50％的强度需在后期形成，为保证一成型的型芯不被破坏和终强度的顺利形成，需对上涂料的时间、烘干温度、存储时间、温度、湿度进行控制。

第六步：出气通道；

大型柴油机机体为大型复杂铸铁件，内腔复杂，尤其是凸轮轴分为上下两层结构，内部有隔板、顶升结构，凸轮轴轴孔等，手工制芯时可通过扎出气孔、预埋尼龙绳的方法解决。但改为射芯机射芯后，因坭芯结构复杂、整体尺寸厚大、与外部相对孤立，铁液充型被包覆后大量发气无法有效排出型腔而憋气，导致铸件凸轮轴孔出现气孔缺陷。

通过采用超长钻头沿砂芯芯头方向施钻到砂芯内部关键部位的预定深度 (距离砂芯重要部位外表面30～50mm)，联通冷芯盒砂芯内部的出气通道，沿冷芯盒砂芯的芯头侧面部位通过尼龙绳18与上层砂箱侧面出气孔连接，芯头出气周围用坭条封好，实现大型柴油机机体射芯机复杂凸轮轴砂芯出气的内气外引。

电动工具；

型号：JIZ-FF03-13B，φ13mm电钻，～220V，800W，550r/min。

钻头：φ12mm直柄加长钻头，长度500mm。

1)下层凸轮轴砂芯出气通道；

将砂芯芯头部位放置水平，选取凸轮轴侧面定位芯头几何中心，用13mm 电钻夹持φ12mm的加长钻头，沿砂芯芯头方向向内平行施钻，深度165～ 170mm，再沿砂芯芯头方向向两边平行分别偏35°，钻深205～210mm。

下层凸轮轴砂芯的下层出气通道20如图4所示。

2)上层凸轮轴砂芯出气通道；

将砂芯芯头部位放置水平，用13mm电钻夹持φ12mm的加长钻头，选取凸轮轴轴孔中心，沿砂芯轴孔中心方向向内平行施钻，直至砂芯轴孔钻穿。选取凸轮轴侧面定位芯头几何中心，沿砂芯芯头方向向内平行施钻，深度365～ 370mm。沿砂芯芯头方向向凸轮轴孔深度较大侧平行偏20°，钻深390～395mm。沿砂芯芯头方向向凸轮轴孔深度较小侧平行偏25°，钻深405～410mm。用压缩空气检查出气通道相互联通后，再用型砂将凸轮轴轴孔部位钻孔进行封堵，深度约30mm。

上层凸轮轴砂芯的上层出气通道19如图3所示。

第七步：冷芯盒砂芯存放；

冷芯易吸湿，应保存在干燥的地方。

当空气相对湿度RH大于80％时，存放时间不大于48小时，当空气相对湿度RH小于80％时，存放时间不大于一周。

第八步：涂料；

砂芯用醇基涂料，第一遍涂刷波美度60～65的醇基锆英粉涂料后点燃，待熄灭后坭芯表面降至室温后打磨平整；第二遍涂刷波美度40～45的醇基锆英粉涂料后点燃，第三遍涂刷波美度40～45的醇基锆英粉涂料，涂刷完后铸型表面不应有流痕。注意砂芯芯头部位不能有涂料。

第九步：砂芯烘干；

采用烘干窑进行烘干，砂芯烘干温度160～180℃，保温时间为2小时。

第十步：配箱、浇注；

配下层凸轮轴砂芯4前，将下层凸轮轴砂芯4侧面芯头部位沿高度方向做出20mm宽，深15mm的凹槽，将φ10mm尼龙绳18向下层凸轮轴砂芯4芯头部位内插入60mm，外留800mm，预计从中砂箱向外伸出50～70mm。用铁钉将尼龙绳18固定在芯头部位凹槽内，再用红泥进行密封处理，避免浇注过程铁液钻入砂芯出气孔内。

在下层凸轮轴砂芯4顶升孔芯头内，插入直径φ30mm，长度165mm的内冷铁17，插入芯头深度6mm0，无松动，内冷铁17顶面距离坭芯顶面10mm。

配下层凸轮轴砂芯4，在外模下层凸轮轴砂芯侧面芯头部位敷设φ4mm坭条，一方面，保留砂芯与外模留有一定的空隙，避免压崩砂芯造成夹砂缺陷。另一方面，对芯头出气部位进行密封，防止铁液钻入砂芯出气孔。用随型出高度30mm、斜7度、间隙1mm的定位芯头在外模底面相应芯头内进行定位，砂芯侧面在外模侧面长度50mm、宽度140mm、斜3度、间隙2mm的定位芯头与外模定位芯座部位进行定位。用样板砂芯侧面与缸孔壁厚12mm，用水平仪检查砂芯芯头水平。

配上层凸轮轴砂芯3前，将上层凸轮轴砂芯侧面芯头部位沿高度方向做出 20mm宽，深15mm的凹槽，将φ10mm尼龙绳向上层凸轮轴砂芯芯头部位内插入60mm，外留600mm，预计从中砂箱向外伸出50～70mm。用铁钉将尼龙绳18 固定在芯头部位凹槽内，再用红泥进行密封处理，避免浇注过程铁液钻入砂芯出气孔内。

配上层凸轮轴砂芯3，在下层凸轮轴砂芯侧面芯头部位敷设φ4mm坭条，同时密封芯头部位出气部位，用砂芯侧面在外模侧面长度50mm、宽度140mm、斜3度、间隙2mm的定位芯头与外模定位芯座部位进行定位。用样板砂芯侧面与缸孔壁厚12mm，用水平仪检查砂芯芯头水平。

落入主体砂芯过程将上下凸轮轴出气部位进行用坭条密封处理，套中砂箱 21填砂前，将上下凸轮轴出气绳从中砂箱21侧面出气孔引出铸型外(向外伸出50～70mm)，所有砂芯配完后，将铸型侧面芯头与中砂箱21之间填砂刮平，合盖箱。

为防止泥芯和铸型返潮和冷铁表面吸附水分，影响铸件质量，浇注前向型内吹入热风补烘，吹热风时间为12～16小时，铸型温度为70～90℃。

浇注过程中，注意用火把引燃中砂箱部位上、下凸轮轴腔向外的出气，使上、下凸轮轴在铁液包覆后能顺利排出砂芯内部气体，避免憋气造成气孔缺陷。

本发明通过综合射芯机冷芯盒、分立制芯、统一定位，内外冷铁、平衡热节，钻孔联网、内气外引相结合结构方法，解决了大型复杂机体配箱过程尺寸控制难度大，质量问题多，加工后常出现凸轮轴、曲轴观察窗口壁薄、搭子钻穿，钻孔偏离中心、厚大部位缩松、凸轮轴轴孔气孔等铸造缺陷，机体批量生产质量稳定，大幅提高了机体的尺寸精度和表面质量。

上述实施例，只是本发明的较佳实施例，并非用来限制本发明实施范围，故凡以本发明权利要求所述内容所做的等效变化，均应包括在本发明权利要求范围之内。

Claims (2)

1.用大型柴油机机体复杂凸轮轴冷芯盒砂芯铸造的方法，其特征在于：利用射芯机冷芯盒制芯，在外模侧面实现机体不同功能部位关键尺寸要素的整体定位；根据凸轮轴部位的具体形状、位置、大小，采用内、外冷铁平衡厚大孤立部位的热节；将冷芯盒砂芯内部气体通道连接成网，将砂芯气体通道与上层砂箱侧面出气孔连接，实现砂芯内气外引；

具体包括以下步骤：

第一步：冷芯盒砂芯分割

冷芯盒砂芯模具沿挺柱顶升结构底部平面进行分割，分为上层凸轮轴砂芯和下层凸轮轴砂芯两部分，下层凸轮轴砂芯结构以挺柱顶升搭子为主，上层凸轮轴砂芯结构以凸轮轴孔结构为主；

第二步：冷芯盒砂芯定位

所有冷芯盒砂芯在外模底部和侧面采用统一定位基准，使机体的配箱基准、划线基准、设计基准统一，下层凸轮轴砂芯结构采用凸轮轴顶升孔随形芯头在外模底部定位，上、下层凸轮轴砂芯分别沿凸轮轴观察窗口向外出芯头在外模侧面进行定位；

第三步：冷芯盒砂芯制作

建立三维模型，对冷芯盒砂芯内活块进行合理分割，根据三维实体模型采用NC技术加工，采用三坐标测量仪测量模具形位尺寸；

第四步：冷铁设置

在凸轮轴孔内侧及端面、缸盖螺栓孔搭子外侧面采用外冷铁进行激冷，凸轮轴的挺柱顶升结构部位采用外冷铁对热节部位进行分断，顶升孔搭子内部采用内冷铁直击热节中心部位，消除凸轮轴厚大部位的热节；

第五步：制芯工艺

1)准备：对芯盒、工装、气路、原砂控制、树脂组分配比、射砂压力、吹气压力进行检查设定；

2)工艺步骤：

按照配料—混砂—树脂砂吹入芯盒—固化型芯—去除氨气味—开模取芯的工艺步骤实施；

第六步：出气通道：沿冷芯盒砂芯芯头方向钻孔到冷芯盒砂芯内部关键部位的预定深度，连通冷芯盒砂芯内部的出气通道，沿冷芯盒砂芯的芯头侧面部位通过尼龙绳与上层砂箱侧面出气孔连接，实现砂芯内气外引；

第七步：冷芯盒砂芯存放：保存在干燥的地方，当空气相对湿度RH大于80％时，存放时间不大于48小时，当空气相对湿度RH小于80％时，存放时间不大于一周；

第八步：涂料：砂芯用醇基涂料，第一遍涂刷波美度60～65的醇基锆英粉涂料后点燃，待熄灭后砂芯表面降至室温后打磨平整；第二遍涂刷波美度40～45的醇基锆英粉涂料后点燃，第三遍涂刷波美度40～45的醇基锆英粉涂料，涂刷完后铸型表面不应有流痕，注意砂芯芯头部位不能有涂料；

第九步：砂芯烘干：冷芯盒砂芯烘干温度160～180℃，保温时间为2小时；

第十步：配箱、浇注；

上述第一步中，冷芯盒砂芯的结构如下：

1)射砂位置

下层凸轮轴砂芯的射砂面选在挺柱顶升搭子底部平面向下，上层凸轮轴砂芯的射砂面选在曲轴腔平面向下；

2)射砂嘴

射砂嘴的数量和布置要根据气流的走向，使射砂时砂流充盒充分，保证能使整个砂芯致密，还要保证催化剂能均匀到达砂芯的每个部位，并且位置适当；

射砂嘴面积计算：

射砂嘴面积S_射＝砂芯重量公斤×2.2磅/公斤×最小面积平方英寸/磅；

面积最小定律：大型厚实的砂芯要求至少0.2平方英寸/磅砂；

3)进排气

进气和排气塞的数量和布置要保证能使整个砂芯致密，保证催化剂能均匀到达砂芯的每个部位；排气孔位置以能达到获得完整砂芯的目的，安放在砂流交汇处、深凹处、芯盒最深部位，并且位置适当；排气孔的面积要小于进气孔面积，排气塞远离进气孔，不能布置在射砂嘴的正下方；

进、排气口面积计算：

进气口面积S_进＝砂芯重量公斤×2.2磅/公斤×最小面积平方英寸/磅

排气口面积S_排＝砂芯重量公斤×2.2磅/公斤×最小面积平方英寸/磅×系数

面积最小定律：大块砂芯每磅至少0.25平方英寸进气面积，排气面积一定小于进气面积，是进气面积的60～80％；

另外，对冷芯盒砂芯进行密封结构、拔摸斜度、加工余量、工艺补正、坭芯间隙的合理设计。

2.根据权利要求1所述的用大型柴油机机体复杂凸轮轴冷芯盒砂芯铸造的方法，其特征在于：上述第四步中，外冷铁材质为铸铁，工作面要求光洁、平整、无气孔缺陷，使用前进行喷丸处理，为保证冷铁在砂芯中的稳固，工作面四周有一定的拔模斜度；

1)外冷铁：

不同部位外冷铁的厚度尺寸T的计算过程如下：

T＝t·T_热节

上式中，t为厚度系数，取值范围为0.3≤t≤1.0，T_热节为铸件壁厚或热节圆直径；

根据凸轮轴腔内部不同热节部位的具体位置、形状、大小，进行每个芯盒冷铁的布置：

2)内冷铁：

内冷铁材质为低碳钢，加工符合要求后，在盐酸中除锈，清水清洗后进行镀锡处理，配箱过程中在砂芯相应位置安放稳固；

内冷铁的尺寸d的计算过程如下：

d＝p·T_热节

上式中，p为厚度系数，取值范围为0.3≤p≤1.0，T_热节为铸件壁厚或热节圆直径。

Images