劉文川，何 桂

（1.西南內(nèi)燃機(jī)配件總廠，四川南充市 637100；2.四川自貢職業(yè)技術(shù)學(xué)校，四川自貢市 643000）

氣缸體水套砂芯熱芯盒的優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉文川1，何 桂2

（1.西南內(nèi)燃機(jī)配件總廠，四川南充市 637100；2.四川自貢職業(yè)技術(shù)學(xué)校，四川自貢市 643000）

簡(jiǎn)單介紹和評(píng)述了GSR2射芯機(jī)制作氣缸體水套熱芯盒的分盒面、芯盒本體、左右側(cè)開(kāi)盒機(jī)構(gòu)、第五開(kāi)盒機(jī)構(gòu)、下頂芯板導(dǎo)向桿、左右盒體機(jī)械式鎖緊機(jī)構(gòu)、熱覆膜砂擋砂帽等結(jié)構(gòu)及其附件的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式或設(shè)備使用說(shuō)明書(shū)推介的形式（及其安裝結(jié)構(gòu)）存在的不足，針對(duì)其不足提出了利用人體工效學(xué)、績(jī)效理論、黃金分割原理等對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法或評(píng)述了其優(yōu)先選用的結(jié)構(gòu)形式。

制芯機(jī)；氣缸體；水套砂芯；熱芯盒；優(yōu)化設(shè)計(jì)

車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體是復(fù)雜薄壁鑄件的典型代表，其鑄造技術(shù)復(fù)雜、難度高是民用機(jī)械產(chǎn)品中首席典型件，而其干式缸套氣缸體水套砂芯（以下簡(jiǎn)稱水套砂芯）的制作工藝則又是其鑄造生產(chǎn)中難點(diǎn)之一，故其水套砂芯熱芯盒的設(shè)計(jì)則便是鑄造工作者長(zhǎng)期研究（優(yōu)化）的恒久型課題，無(wú)論是其對(duì)鑄件本身質(zhì)量及合格率的提高，還是市場(chǎng)的需求，都要求其必須與時(shí)俱進(jìn)。

對(duì)于氣缸體水套砂芯的制作工藝及其熱芯盒的設(shè)計(jì)，目前雖也有一些資料[1～5]對(duì)其進(jìn)行研究，但因其一方面研究對(duì)象不同，另一方面，根據(jù)筆者近幾年來(lái)對(duì)國(guó)內(nèi)較多的相關(guān)鑄造廠（以下簡(jiǎn)稱工廠）及專(zhuān)業(yè)模具制作公司（以下簡(jiǎn)稱公司）的考查了解和研究，發(fā)現(xiàn)一些相關(guān)熱芯盒的設(shè)計(jì)尚有較多不盡合理之處。故在此，筆者根據(jù)近幾年來(lái)應(yīng)用人體工效學(xué)、績(jī)效理論、黃金分割原理等的研究，探索出的一些心得，針對(duì)目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用已較為普遍的GSR2制芯機(jī)制作水套砂芯熱芯盒可作優(yōu)化設(shè)計(jì)方面作一專(zhuān)題研究和討論，旨在為該類(lèi)重要鑄造工裝的規(guī)范化和優(yōu)化設(shè)計(jì)積累一點(diǎn)資料供同行參考。

1 分盒面的優(yōu)選

水套砂芯熱芯盒分盒面的設(shè)計(jì)（或選擇）在各個(gè)工廠或公司可謂多種多樣各具特點(diǎn)。從二開(kāi)盒到六開(kāi)盒都有應(yīng)用的多種實(shí)例；以及在同樣數(shù)量開(kāi)盒面的情況下，還有分盒面位置不同使其熱芯盒制作砂芯的工藝效果也大不同的生產(chǎn)實(shí)例[5]。對(duì)于水套砂芯來(lái)說(shuō)，分盒面及其數(shù)量的優(yōu)化設(shè)計(jì)原則應(yīng)是：保證獲得射砂緊實(shí)度高，表面光潔的完整砂芯為首要條件，其次應(yīng)是熱芯盒制芯效率及成品率高，以及熱芯盒制作和維護(hù)工作簡(jiǎn)便為必要條件。

根據(jù)上述原則，通常情況下，水套砂芯的分盒面的分盒面數(shù)量應(yīng)是四開(kāi)盒方案優(yōu)于兩開(kāi)盒方案。而對(duì)于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的氣缸體水套砂芯來(lái)說(shuō)，則還需要五開(kāi)盒，乃至六開(kāi)盒則更為優(yōu)化或更為適宜。

對(duì)于四開(kāi)盒方案來(lái)說(shuō)，其上、下分盒面的優(yōu)化設(shè)計(jì)原則應(yīng)是：上分盒面應(yīng)盡可能接近于砂芯的最高處，而下分盒面則相應(yīng)盡可能接近于砂芯的最低處。而通常情況下便是上、下分盒面分別設(shè)計(jì)在砂芯上、下圓角的頂點(diǎn)處；這樣既能使熱芯盒具有良好的溢氣性能（以便獲得致密度高的砂芯），又能圓滿制作出砂芯上、下圓弧的結(jié)構(gòu)要求。

依據(jù)上述分盒面的優(yōu)化原則，對(duì)于K385氣缸體水套砂芯，我們?cè)O(shè)計(jì)出了圖1所示的五開(kāi)盒方案。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要有：①砂芯采用五開(kāi)盒方案形成；②上、下開(kāi)盒面分別在砂芯上、下圓角頂點(diǎn)處，即上、下盒體的盒腔深度作到盡可能地淺，其砂芯主體部分盡可能在側(cè)開(kāi)盒上形成；③左、右盒體及其開(kāi)盒機(jī)構(gòu)等的優(yōu)化設(shè)計(jì)；④側(cè)開(kāi)盒上的通氣針安裝結(jié)構(gòu)利于盒腔排氣；⑤相關(guān)附件的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 芯盒本體

對(duì)于芯盒本體的設(shè)計(jì)制作，筆者曾親眼目睹了兩個(gè)不成功的典例：其一為6R氣缸蓋水套芯熱芯盒；其二為6R氣缸體水套芯熱芯盒。前者主要因結(jié)構(gòu)厚薄不合理且加熱管布置不當(dāng)以及本體未加工毛面與加工面的應(yīng)力不平衡等因素而致使芯盒本體變形量過(guò)大，不能正常制作相應(yīng)砂芯而報(bào)廢；后者主要因?yàn)槠渥?、右盒體結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)過(guò)?。ㄗ?、右盒體本體厚度尺寸僅70～80mm），其盒體的高度也未優(yōu)化到其砂芯尺寸的上、下極限的合理值，以及其它一些不合理因素，而致使該水套芯熱芯盒，多次往返于用戶與供應(yīng)商之間的不良狀況。

對(duì)于在GSR2上制作氣缸體水套砂芯的四開(kāi)盒熱芯盒，其芯盒本體的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)關(guān)鍵主要體現(xiàn)在其左、右盒體上。其優(yōu)化設(shè)計(jì)原則雖尚未有定量的研究成果，但優(yōu)化設(shè)計(jì)的定性原則大致可歸納以下三條：其一，結(jié)構(gòu)及分盒面應(yīng)盡可能簡(jiǎn)化；其二，砂芯高度結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能多地用左、右盒體形成；其三，左、右盒體的結(jié)構(gòu)尺寸既應(yīng)有適宜大小尺寸的高度，又應(yīng)有適宜大小尺寸的厚度。

而對(duì)于芯盒本體適宜大小尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)，其可遵循的原則應(yīng)是：既要保證芯盒本體有適宜的“蓄熱”量、適宜的剛性——即盡可能少的變形量；又要保證芯盒本體不能過(guò)重，而增加不必要的電（動(dòng)）能消耗。

依照上述原則，設(shè)計(jì)出圖1所示之K385氣缸體水套砂芯熱芯盒本體其幾個(gè)主要參數(shù)為：下盒體厚度為90mm，上盒體為70mm，左、右盒體厚度（輪廓）尺寸為 170～180mm。

為了能使水套砂芯熱芯盒左右本體達(dá)到既有適宜厚度尺

寸（及合理設(shè)置加熱管），保證芯盒本體有適宜“蓄熱”量、適宜的剛性的要求，筆者還曾成功設(shè)計(jì)出了圖2所示一個(gè)轎車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)四缸氣缸體水套砂芯熱芯盒。圖2所示熱芯盒之左右盒體的突出特點(diǎn)是：超長(zhǎng)設(shè)計(jì)制作出了左右盒體（件號(hào)2、4）的高度。

圖1 GSR制芯機(jī)制作K385氣缸體水套砂芯的五開(kāi)盒熱芯盒方案示意圖

圖3 GSR2制芯機(jī)制作氣缸體水套芯四開(kāi)盒熱芯盒的兩種側(cè)開(kāi)盒機(jī)構(gòu)

圖2 某四缸氣缸體水套砂芯的四開(kāi)盒熱芯盒簡(jiǎn)圖

3 左、右開(kāi)盒機(jī)構(gòu)

對(duì)于GSR2制芯機(jī)制作水套砂芯的四開(kāi)盒熱芯盒，其左、右開(kāi)盒機(jī)構(gòu)在較多的工廠或公司的相應(yīng)設(shè)計(jì)中尚有一些零件可進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。如圖3（a）所示的結(jié)構(gòu)便是華北某大型鑄造廠所用的相應(yīng)的熱芯盒左、右盒體的開(kāi)盒機(jī)構(gòu)，其主要不足表現(xiàn)在側(cè)開(kāi)拉桿、側(cè)開(kāi)連接板和側(cè)開(kāi)支撐板三個(gè)主要零件上。

針對(duì)圖3（a）所示的三個(gè)主要零件存在的不足，筆者作出了圖3（b）所示相應(yīng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。圖3（b）中的三個(gè)主要件比之于圖3（a）中的相應(yīng)零件的優(yōu)化設(shè)計(jì)分別表現(xiàn)在以下方面。

3.1 側(cè)開(kāi)拉桿

側(cè)開(kāi)拉桿（亦稱側(cè)開(kāi)導(dǎo)向桿），在圖3（b）中所表現(xiàn)出的優(yōu)點(diǎn)主要在拉桿與側(cè)開(kāi)連接板關(guān)系由圖3（a）的外螺紋優(yōu)化為圖3（b）中的內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)，由此，后者比之于前者即減少了材料用量，又在安裝后的整體外觀上較為美觀，以及安裝和維護(hù)時(shí)操作更為簡(jiǎn)便、快捷。

3.2 側(cè)開(kāi)連接板

圖3（b）所示的側(cè)開(kāi)連接板因其相應(yīng)的側(cè)開(kāi)拉桿端頭采用的內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)，而使得其連接板的相應(yīng)螺釘（通常用高強(qiáng)度內(nèi)六角螺釘）孔比之于圖3（a）相應(yīng)螺母孔小了成倍的空洞容積，故而圖3（b）所示的連接板比之于圖3（a）所示的連接板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到了提高，可延長(zhǎng)零件的使用壽命，同時(shí)，還可適當(dāng)減少該零件的加工切屑量即工時(shí)量。

3.3 側(cè)開(kāi)支撐板

圖3（a）所示的側(cè)開(kāi)支撐板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，同側(cè)所用的兩個(gè)側(cè)開(kāi)拉桿分別各用一個(gè)“獨(dú)立的”支撐板；而圖3（b）所示的側(cè)開(kāi)支撐板則是同側(cè)所用的兩個(gè)側(cè)拉桿共用一個(gè)“連體”的支撐板。故而后者比之于前者具有制作（尤其在安裝時(shí)）拉桿孔的精度高，側(cè)開(kāi)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)。

4 側(cè)開(kāi)盒體上通氣針的安裝結(jié)構(gòu)

在水套砂芯四開(kāi)盒的側(cè)開(kāi)盒體的一些形成出砂孔等結(jié)構(gòu)的厚大砂芯位置處，工藝要求通常要做出排氣（針）通道。其通氣針的安裝結(jié)構(gòu)許多工廠普遍采用圖4（a）所示的尾端外螺紋的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)雖有通氣針用材少、制作簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)，但此種結(jié)構(gòu)的小零件比之于圖4（b）所示的相應(yīng)結(jié)構(gòu)則有：對(duì)側(cè)開(kāi)盒體上的“深孔結(jié)構(gòu)”盒腔難于排氣以及通氣針的外螺紋結(jié)構(gòu)易損傷芯盒本體的嚴(yán)重不足之處。故而圖4（a）所示的通氣針安裝結(jié)構(gòu)雖有“傳統(tǒng)”優(yōu)勢(shì)，但又確是非優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

圖4 側(cè)開(kāi)盒通氣針的兩種不同安裝結(jié)構(gòu)

針對(duì)于圖4（a）所示的通氣針安裝端外螺紋傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)存在的嚴(yán)重不足，筆者設(shè)計(jì)出了圖4（b）、（及圖2中的件3）所示的通氣針安裝端法蘭盤(pán)的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。圖4（b）的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要為：其一，法蘭盤(pán)式的安裝結(jié)構(gòu)要求貫穿相應(yīng)“深孔”處的側(cè)開(kāi)盒體，由此，有利于盒腔相應(yīng)處的排氣，對(duì)提高相應(yīng)處的砂芯緊實(shí)度和表面質(zhì)量極為有利，免去了再設(shè)置排氣塞類(lèi)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)制作；其二，法蘭盤(pán)式通氣針的安裝結(jié)構(gòu)安裝簡(jiǎn)便，比之于相應(yīng)傳統(tǒng)的圖4（a）相應(yīng)外螺紋安裝結(jié)構(gòu)具有安裝簡(jiǎn)便，可靠性更高的優(yōu)點(diǎn)，這主要由于圖4（b）安裝時(shí)的操作位置由圖4（a）的在盒體內(nèi)腔改在了盒體外部等原因；其三，提高了盒體的使用壽命，圖4（b）的結(jié)構(gòu)其法蘭盤(pán)的安裝結(jié)構(gòu)具有不損傷盒體的優(yōu)點(diǎn)，不僅減少了盒體及通氣針的維護(hù)工作量，而且也相應(yīng)在一定程度上提高了盒體的使用壽命。

由此可見(jiàn)，在多開(kāi)盒熱芯盒的側(cè)開(kāi)盒上須設(shè)置通氣針時(shí)，只要結(jié)構(gòu)允許（或創(chuàng)造條件）其通氣針的安裝結(jié)構(gòu)則應(yīng)優(yōu)先選用圖4（b）的法蘭盤(pán)式結(jié)構(gòu)。這對(duì)于相應(yīng)冷芯盒類(lèi)結(jié)構(gòu)更據(jù)有可普遍優(yōu)先使用的借鑒價(jià)值。

5 第五開(kāi)盒機(jī)構(gòu)

關(guān)于熱芯盒第五開(kāi)盒機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的資料研究極為鮮見(jiàn)，而在GSR2制芯機(jī)上設(shè)備通常亦未帶有第五開(kāi)盒動(dòng)力（氣缸）。根據(jù)筆者的多年生產(chǎn)實(shí)踐和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)認(rèn)為，第五開(kāi)盒機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要應(yīng)遵循如下原則：其一，動(dòng)力氣缸須設(shè)置在側(cè)開(kāi)盒體的重心上，以便氣缸動(dòng)力作用的有效發(fā)揮；其二，側(cè)開(kāi)盒體應(yīng)有合理的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)；其三，開(kāi)盒氣缸與模塊的聯(lián)接應(yīng)盡可能簡(jiǎn)便可靠。

根據(jù)上述原則，我們?cè)O(shè)計(jì)制作的K385氣缸體的第五開(kāi)盒機(jī)構(gòu)如圖5所示。其主要結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

5.1 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

圖5所示的GSR2制芯機(jī)制作K385氣缸體水套芯第五開(kāi)盒機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)為梯形鍵及梯形鍵槽結(jié)構(gòu),其與相應(yīng)開(kāi)盒氣缸（軸）形成一對(duì)配合協(xié)調(diào)的開(kāi)盒機(jī)構(gòu)，能有效地滿足該砂芯的第五開(kāi)盒工藝要求。

5.2 開(kāi)盒氣缸與模塊的聯(lián)接

圖5所示的K385氣缸體水套芯熱芯盒第五開(kāi)盒（動(dòng)力）氣缸與相應(yīng)盒體的聯(lián)接，采用的是圓盤(pán)形內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)的聯(lián)接塊，其主要特點(diǎn)有：其一，簡(jiǎn)單的迴轉(zhuǎn)體式結(jié)構(gòu)，制作方便、可靠且成本低；其二，安裝及其維護(hù)亦簡(jiǎn)便、快捷。

圖5 GSR2制芯機(jī)制作K385氣缸體水套芯熱芯盒第五開(kāi)盒機(jī)構(gòu)示意圖

5.3 氣缸支架

圖5所示的氣缸支架選用45鋼精工制作，不僅能有效、可靠地起到第五開(kāi)盒氣缸的支架作用，而且還有效地對(duì)左、右盒體進(jìn)行限位及其定位（在其適宜部位設(shè)置定位銷(xiāo)套）作用。圖5所示的氣缸支架亦是該套熱芯盒優(yōu)化設(shè)計(jì)的一個(gè)較為主要的亮點(diǎn)。

6 其它附件

6.1 下頂芯板導(dǎo)向桿

在GSR2制芯機(jī)上，目前尚有少數(shù)工廠仍然沿用圖6（a）所示的下頂芯板導(dǎo)向桿。該零件結(jié)構(gòu)與圖6（b）所示的導(dǎo)向桿相比不難看出其存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制作精度要求高、制作工藝復(fù)雜、安裝、維護(hù)不夠簡(jiǎn)便等不足。

圖6 水平分盒制芯機(jī)熱芯盒下頂芯板導(dǎo)向桿的兩種不同結(jié)構(gòu)

6.2 左、右盒體的機(jī)械式鎖緊機(jī)構(gòu)

在GSR2制芯機(jī)的四開(kāi)盒以上的熱芯盒上，為了增強(qiáng)左、右主側(cè)盒體的合?？煽啃?，往往在結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)出機(jī)械式的鎖緊機(jī)構(gòu)。在圖1所示的K385氣缸體水套砂芯五開(kāi)盒熱芯盒上，根據(jù)前述的一些優(yōu)化設(shè)計(jì)理念，我們?cè)O(shè)計(jì)出了圖7所示結(jié)構(gòu)的鎖緊塊。

圖7 氣缸體水套芯（五開(kāi)盒）熱芯盒左、右盒體機(jī)械式鎖緊塊的兩種結(jié)構(gòu)

圖7所示的左、右盒體鎖緊塊的主要特點(diǎn)有：其一，鎖緊塊較長(zhǎng)，其對(duì)左、右合體的鎖緊點(diǎn)在左、右盒體的最下端，而這正是左、右盒體在相應(yīng)氣缸合模后的間隙最大處，其鎖在了“要點(diǎn)”處；其二，不同結(jié)構(gòu)滿足不同工況：圖7（a）所示結(jié)構(gòu)為通常狀況下的無(wú)第五（或第六）開(kāi)盒結(jié)構(gòu)一端所用鎖緊塊，圖7（b）所示的結(jié)構(gòu)為有第五（或第六）開(kāi)盒結(jié)構(gòu)一端的鎖緊塊；其三，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在上盒體上安裝方便、可靠，其開(kāi)盒（氣缸）行程較大的制芯機(jī)上適宜性尤其良好。

6.3 熱覆膜砂擋砂帽

在GSR2制芯機(jī)熱芯盒的平射嘴上，其熱覆膜砂的擋砂帽傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大致可分為圖8（a）、（b）兩種。該兩種結(jié)構(gòu)的擋砂帽的共同特點(diǎn)是設(shè)置在射砂板的上平面，故而其共同的缺點(diǎn)也是無(wú)法擋住射砂嘴內(nèi)的砂，擋砂效果欠佳。

鑒于圖 8（a）、（b）兩種結(jié)構(gòu)的不足，我們優(yōu)化設(shè)計(jì)出了圖8（c）所示的迷宮式擋砂帽。生產(chǎn)實(shí)踐表明，其效果良好，最大限度地?fù)踝×藷岣材ど暗淖杂上聣嬃?。故而圖8（c）所示的迷宮式擋砂帽是平射嘴之擋砂帽中的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，同時(shí)，其也適用了插入式射砂嘴。

圖8 熱芯盒平射嘴熱覆膜砂擋砂帽的幾種不同結(jié)構(gòu)

[1] 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)鑄造專(zhuān)業(yè)學(xué)會(huì).鑄造手冊(cè)：第5卷鑄造工藝[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[2] 吳光峰.鑄造工藝工裝設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1989.

[3] 劉文川，李偉鵬.462Q氣缸體水套砂芯制芯工藝及熱芯盒設(shè)計(jì)[J].鑄造設(shè)備研究，2000（3）:27-30.

[4] 陳劍敏.水套砂芯熱芯盒射芯機(jī)[J].中國(guó)鑄造裝備與技術(shù)，2000(4):50-52.

[5] 劉文川，王興平，譚勇.干式缸套氣缸體水套砂芯的熱芯盒優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中國(guó)鑄造裝備與技術(shù)，2005（1）:41-43.

Optimal Design of Hot Box of Sand Core for Cylinder Block Water Jacket

LIU WenCuan1，HE Gui2
(1.Southwest Inner Combustion Engine Fittings General Works，Nanchong 637100，Sichuan China；2.Sichuan Zigong Professional Technology College，Zigong 643000，Sichuan China）

Shortcomings of parts or components in description with traditional form or form in equipment manual of Model GSR2 core shooter for production of sand core of water jacket of cylinder block have been briefly introduced with comment.Optimal design methods with manual work efficiency，theory of performance and golden section principle which could be used to overcome those shortcomings have been put forward，or preference structures be selected have also been reviewed.

Coremaking machine；Cylinder block；Sand core of water jacket；Hot box；Optimal design

TG 231.66；

B

1006-9658（2011）01-5

2010－08－27

2010－124

劉文川（1963-），男，高級(jí)工程師，主要從事車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋鑄造工藝工裝的技術(shù)研究及設(shè)計(jì)工作