公司新开发的一款高性能发动机，排量为7．14L，主要满足中、重型卡车和大、中型客车以及其他动力机械，采用湿式缸套、直列、水冷、四冲程式结构，其中缸径为108mm，最高爆发压力可达17．5MPa，满足国Ⅳ以上排放标准，目前已具备年产20万台的生产能力。其核心关键零部件气缸体铸件采用大批量、自动化、流水线生产方式，铸件结构复杂，表面有大量的凸台与加强筋，主要壁厚仅为6 mm，铸件重224 kg。造型采用KW静压造型线卧浇工艺生产，砂芯全部采用冷芯盒制芯工艺，主体芯实现机器人整体浸涂：工艺。经过一年多的工艺优化和质量改进，铸件内废废品率由15％降低到3％左右。
　　本文详细介绍了该气缸体工艺开发和验证过程中出现的各种铸造缺陷，初步探讨了其形成机理，并提出相应的解决措施。
　　1 主要铸件缺陷特征和分布
　　此新型发动机气缸体最初生产时内废废品率高达15％，并且制芯生产效率低，每班次仅为100模，铸件清理返工率高达50％；主要原因为铸造过程中产生了大量铸造缺陷，其中主要的铸造缺陷有因铸件表面结构复杂导致的粗清损伤与胃口带肉缺陷、浇注系统设计不合理导致的冲砂缺陷、挺杆芯制芯工艺不合理导致的粘砂缺陷、上箱气眼针多造成的散落砂缺陷和砂芯质量不合格造成的砂眼缺陷等。具体缺陷类别和缺陷比例如图1所示，从图1可以看出，机械手损伤、散落砂、粘砂、冲砂等缺陷为主要废品特征，为此针对各个环节分别进行了分析和解决。

　　图一 气缸体主要缺陷及比例
　　Fig.Main defects and their proprotion in the
　　cylinder block

　　2 铸造缺陷形成原因及解决措施
　　2.1 损伤缺陷
　　损伤缺陷对于在大批量、自动化、流水线铸造生产条件下的气缸体铸件是最常见的缺陷之一。我公司气缸体铸件损伤缺陷主要包括两种类型，一种为气缸体铸件表面的凸台与加强筋在粗清时形成的损伤(规定此类损伤类型为粗清损伤)，另一种为清理铸件气眼针时形成带肉损伤(规定此类损伤类型为带肉损伤)；
　　2.1.1 粗清损伤缺陷
　　对于铸件表面结构复杂，兄有大量的小凸台和较高加强筋的铸件，在用杉L械手进行铸件粗清和转运时，存在机械手损伤铸件的隐患，极易造成粗清损伤缺陷。在前期生产一种新型气缸体时，囚机械手造成的损伤缺陷比例高达3％以上：针对此缺陷经过多次工艺改进和工艺流程优化，损伤缺陷比例现已经降到0．5％左右。采取的措施如下。
　　(1) 针对易损伤的小凸台，根据铸件后续加丁装配要求合理设置凸台加强筋，增大凸台的强度(图2)。

　　图二 易损伤凸台及其加强筋
　　Fig.2 The damage-prone convex platrorm and corresponding reinforcing ribs

　　(2) 规范机械手操作规范，制定机械手粗清操作目视化看板，明确具体的粗清操作步骤及其机械手夹取铸件位置。通过制定此规定，大大降低了人为损伤缺陷，因此，制定机械手粗清操作流程及铸件夹取位置是采用机械手的铸造车间必须要做的丁作，可以有效避免损伤缺陷的产生。
　　2.1.2 带肉损伤缺陷
　　带肉损伤缺陷是在清理铸件浇冒口时带走铸件上的部分金属造成的。设计的气缸体右侧面上共设计了16个小凸台，以满足发动机装配很多外围复杂部件的要求，铸造工艺设计时，通常选择此面为上平面，而在这些小凸台上再设计出气针，便于气体／顷利排出，防止凸台部位产生气孔缺陷。但是出气针的设置为后续的清理带来了很多困难，既降低了清理效率又增加了带肉损伤缺陷。在生产初期，由带肉损伤造成的铸件焊补占总数的80％。通过更改气眼针形状，很好地解决了此类问题。气眼针底座由仅仅倒一圆角改为设计㈩一台阶结构，并适当减小气眼针直径尺寸，使气眼针截面所占的凸台面积降低到80％。气眼针底座设计成台阶结构会使气眼针与铸件本体不直接相连，断裂时从台阶处断裂，该措施使出气针带肉损伤得到了有效解决。
　　2.2 冲砂缺陷
　　冲砂缺陷主要发生在铸件的下表面两个加强筋的结合部位，如图3所示。冲砂缺陷对于缸体铸件来说是非常严重的缺陷，因为冲走的砂子会随铸件凝固导致砂眼缺陷，严重影响铸件的本体强度，若冲到水腔壁上便造成漏水缺陷(图3c)。此类缺陷经过多次了艺改进，已得到明显改善。主要改进措施如下。
　　(1) 从造型角度考虑，采用KW公司生产的气流预紧实高压多触头造型机，各造型参数相对来说比较稳定，针对冲砂缺陷，适当提高造型压力与加砂量，最后通过硬度检查来推算出砂型抵抗冲刷的硬度：
　　(2) 从砂处理角度考虑，生产该气缸体时适当降低型砂含水量，提高型砂流动性 增加膨润土的加入量，提高湿压强度-经过大量的生广：试验，——般含水量要求控制在2．8％一3．0％，湿压强度在170—180KPa、
　　(3) 从铸件结构角度考虑，由于冲砂位置多为两加强筋交汇处，增大加强筋与铸件本体的过渡圆角， 防止尖角存在造成砂型强度低。事实证明，增大过渡圆角很好地减轻了冲砂缺陷。

　　（a）冲砂缺陷部位                     （b）图3a中I部冲砂局部放大区域            图3a中I部背部冲砂区域
　　图3冲砂缺陷部位及其局部放大图
　　Fig. 3 Defect areas caused by sand-washing

　　(4) 从浇注系统角度考虑，原来浇注系统如图4所示，只在第1、2、4、6、7瓦口上各开两个内浇道。铸件结构复杂且壁厚不均匀，因此浇注系统造成铁液充型时出现紊流现象，并且内浇道开口位置正好对应下平面两加强筋交汇处，而此交汇处也为砂型紧实度最低的部位，这就难免造成冲砂缺陷。另一方面，从图4箭头所指铁液流向可以看出，第四瓦口处两个直浇道都为其提供铁液，浇注速度过快，冲刷下型最严重。从图4中标注到的第四瓦口对应的下型位置，可以很明显的看到严重的冲刷程度。

图4改前浇注系统设置及其第四瓦口对应的下型位置
　　Fig.4Casting system before reform and drag corresponding to the fouth tile edging

　　因此更改浇注系统，在下型增加2个内浇道，在两个直浇道上也就是对应的第三与第五瓦口处各增加一道内浇道。这样很好地平衡了铁液流动，减小紊流，最终减小铁液的冲刷：经生产验证，改进后的浇注系统改善效果明显。新浇注系统如图5所示。

图5 改后浇注系统
　　Fig.5 Gating system afaer reform

　　2.3 散落砂与局部表面“粗糙”缺陷(橘皮现象)
　　关于铸件表面散落砂的形成，前面已经介绍过，该气缸体表面有大量小凸台，为防止气孔缺陷产生都 设计了出气眼加强排气，小气眼设计为敞开式，分两部分形成，模板本身气眼针形成一部分，然后再利用造型线上的钻了L机钻透剩余部分，下一道厂序由人I：吹净出气眼内的残留型砂：但钻孔机有时存在隐患，即钻头坐标设定值与实际钻孔位置不符，造成模板形 成的气眼与钻头形成的气眼连接不畅，搭接处易积聚大量散砂：实践证明，此种情况即使经过人I：吹气眼—I：序，仍残留部分散砂，合箱后落入型腔，最终形成砂眼缺陷：经过长期跟踪发现，当造型线断电后，钻头坐标就会出现偏差，此时需根据实际进行调整钻头 坐标，保证尺寸的精确：通常直观的判断力·法就是查看浇注后铸件形成的“气眼针” [：下两部分是否对齐连接，再随时调整坐标：
　　关于铸件局部表面“粗糙”缺陷，如图6所示，在凸台立面上出现粗糙的表面，粗糙情况与橘皮相类似，定义此类粗糙缺陷为橘皮现象，要注意的是人：厂吹气眼时用的吹嘴长度、模板上气眼针高度与钻头行程这二个尺寸的选择，防止吹嘴中的高压气体破坏砂型表面，最后造成铸件局部“粗糙”缺陷—该气缸体前期生产时卜平面凸台总／11现表面“机糙”现象，开始认为是—卜砂型硬度低， 且此处为凸台的立面易造成局部“粗糙”现象。经过多次跟踪，发现此问题的产生是由于吹嘴长度太长，并且与型腔距离太近，使得操作者在气眼中稍微倾斜吹气就会使高压气体破坏砂型形成“粗糙”缺陷。针对此现象，减小了钻头行程，使与型板形成的气眼搭接长度尽可能小，并相应地减小吹嘴管长度，最终避免了局部“粗糙”缺陷。如图7所示，当钻头行程与脐子气眼针高度之间的搭接距离／4小于30mm，吹管深入砂型中的长度与脐子高度之间的距离B大于40mm时，对于防止高压气体破坏砂型有明显效果。

图6 铸件“粗糙”缺陷

Fig.6 The “rough” defects castings

图7 钻气眼针示意图
　　Fig.7 Schematic illustration showing the blow hole needle

　　2．4挺杆粘砂缺陷
　　粘砂缺陷对于采用砂型铸造：厂艺的铸件是必然出 ；现的铸造缺陷之一，粘砂缺陷直接影响清理效率，进而直接影响铸件的交货期。对于大批量、流水线和自动化的铸造生产条件下，清理效率直接反应生产水平与技术水平。我公司新开发的一种发动机铸件要求年 ；产20万台，因此清理效率必须高效，这样就对影响清理效率的内腔提出很高的要求，而该气缸体内腔挺杆芯挺杆孔部位直径尺寸仅为20mm，开始生产时用石英砂制芯，由于浇注时该部位全部被铁液包围，易烧结粘砂，严重影响清理效率：针对此缺陷，更改了制芯丁：艺与浸涂厂艺：
　　(1)制芯由石英砂改为铬矿砂和熟料砂双组份-1二艺：铬矿砂和熟料砂都具有较高的耐火度和良好的导热性，发气量低，尺寸稳定性好；
　　(2)浸涂厂艺由挺杆芯与主体芯一次整体浸涂改为挺杆；芯亢浸涂一次并烘干再进行组芯整体浸涂。第一次浸涂采用耐火度更好的专用涂料，然后再用一般涂料整体浸涂。挺杆芯采用两遍涂料后粘砂缺陷得到了彻底解决：
　　虽然制芯千艺与浸涂下艺更改后成本有所提高，但是大大提高了清理效率，并降低了废品率。因此在大批量生产条件下，通过提高内腔质量来提高清理效率是必然的选择：实践证明，特殊砂芯采取高性能芯砂与二次浸涂是一种简单、有效的工艺：
　　2.5 内腔砂眼缺陷
　　经过实践表明，砂芯质量直接影响铸件质量，特别是采用整体组芯工艺，砂芯分模面处的砂芯披缝，清理不净易形成铸件内腔砂眼缺陷(图8)：若制芯过程形成过多的砂芯披缝，在大批量生产下难免出现披缝清理不到位的情况：闽此，砂芯披缝的清理，必须
　　引起足够的重视，并采取有效的丁艺措施。通常现代化丁厂设计时，制芯中心一般采用机器人自动取芯，这就给制作专用的装置自动去除毛刺提供了有利条件，可以根据砂芯形状制作一随形框架，并装上胶皮，这样就可以利用机器人转移砂芯，达到自动去除毛刺的目的—也可以在取芯机械手上设计安装去毛刺装置，去除砂芯夹取位置处的披缝；比如气缸体缸筒芯，为四开模结构，侧模与下模处形成缸筒芯头，此芯头因侧模与下模配合间隙易形成砂芯披缝。最早的思路是减小下模与侧模配合间隙达到小于0．3mm来防止披缝的产生，为此制芯过程中必须要求及时清理干净两侧模配合处的砂子，但是这一方法经过实践证明很难实现。后来我们改变思路，在机器人取芯夹具与缸筒芯头接触位置处设计安装一环形圈，在取芯时环形圈自动切除芯头的披缝(1~19)。总之，整体组芯工艺在组芯前去除砂芯披缝，对减少砂芯披缝形成的内腔砂眼缺陷非常重要，而且，借助去毛刺装置自动去除，效果更好。

图8 钢筒披缝图                                          图9机器人去毛刺技术
　　Fig.8 Casting fin of cylinder barrel                      Fig.2 The structure for deburring of robot

3 结束语
　　在全自动、大批量、流水化生产千艺条件下，对气缸体出现的各种铸造缺陷采取了有效的解决措施，尤其是损伤、冲砂和局部表面“粗糙”等缺陷改进效果明显，为其他类似新产品铸造千艺的开发提供了参考。

　　（潍柴集团供稿）