許少紅

（天津市龍?chǎng)螀R/瑞普天晟汽車零部件制造有限公司，天津 301701）

真空消失模鑄造技術(shù)（EPC法）是用泡沫塑料制作成與零件形狀完全一致、尺寸大小只差金屬收縮量的實(shí)型模樣，經(jīng)浸涂耐火粘結(jié)涂料，烘干后放入專用砂箱進(jìn)行干砂造型，震動(dòng)緊實(shí)，然后在真空負(fù)壓狀態(tài)下澆入金屬液使模樣受熱燃燒及氣化消失，金屬液取代泡沫塑料模樣位置，冷卻定型后得到與模樣形狀一致的金屬零件的鑄造方法。

真空消失模（EPC法）鑄造汽車發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體工藝特點(diǎn)如下：

1）鑄件表面光潔度高；

2）取消了砂芯和制芯工部，根除了由于制芯、下芯造成的鑄造缺陷和廢品，消除了樹(shù)脂砂燃燒對(duì)環(huán)境的污染。

3）不合箱、不取模，簡(jiǎn)化了造型工藝，消除了因取模、合箱引起的鑄造缺陷和廢品；

4）采用無(wú)黏結(jié)劑、無(wú)水分、無(wú)任何添加物的干砂造型，根除了由于水分、添加物和黏結(jié)劑引起的各種鑄造缺陷和廢品；

5）簡(jiǎn)化了砂處理系統(tǒng)，95%以上型砂可重復(fù)使用，取消了型砂制備工部和廢砂處理工部；

6）落砂極其容易，降低了落砂的工作量和勞動(dòng)強(qiáng)度；

7）鑄件無(wú)飛邊毛刺，使清理打磨工作量減少50%以上；

8）可在理想位置設(shè)置合理形狀的澆冒口，不受分型、取模等傳統(tǒng)因素的制約，減少了鑄件的內(nèi)部缺陷；

9）負(fù)壓澆注，更有利于液體金屬的充型和補(bǔ)縮，提高了鑄件的致密度；

10）減少了粉塵、煙塵和噪音污染，改善了鑄造工人的勞動(dòng)環(huán)境，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，以男工為主的行業(yè)可以變成以女工為主的行業(yè)；

11）可減輕鑄件重量；

12）簡(jiǎn)化了工廠設(shè)計(jì)，設(shè)備投資、占地面積和建筑面積及動(dòng)力消耗均可減少，可大大降低固定資產(chǎn)投資及生產(chǎn)成本。

13）廢水：用水均為循環(huán)用冷卻水，無(wú)廢水排放；廢氣：鑄造過(guò)程中產(chǎn)生廢氣由真空泵抽走后集中處理，由于無(wú)粘結(jié)劑、無(wú)樹(shù)脂砂，故廢氣很容易過(guò)濾排放達(dá)標(biāo)；固體廢物：消失模用造型砂為無(wú)粘結(jié)劑、無(wú)樹(shù)脂的干砂，可回收率達(dá)95%以上，只有少量粉塵由除塵器處理后排放。

由于工藝特點(diǎn)所致，同等規(guī)模情況下，消失模工藝綜合投資是傳統(tǒng)砂型鑄造投資的60%，明顯低于傳統(tǒng)工藝。綜合多項(xiàng)因素消失模鑄造工藝相比傳統(tǒng)工藝成本降低約15%。消失模鑄造因節(jié)能減排環(huán)保特點(diǎn)被認(rèn)為是21世紀(jì)最可能實(shí)現(xiàn)綠色鑄造的工藝技術(shù)。

雖然真空消失模鑄造發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體有以上眾多優(yōu)點(diǎn)，但也遇到以下的五大問(wèn)題：

1）缸體白模成型質(zhì)量問(wèn)題；

2）鑄件尺寸精度問(wèn)題；

3）碳夾雜物缺陷問(wèn)題；

4）水套粘砂問(wèn)題；

5）打壓滲漏問(wèn)題。

如何通過(guò)模具設(shè)計(jì)，達(dá)到消除或改善以上問(wèn)題是本文要闡述的關(guān)鍵。

1 汽缸體真空消失模鑄造工藝性分析

本文主要研究的是合金鑄鐵汽缸體，多用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)及汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。通常柴油發(fā)動(dòng)機(jī)分干式缸套和濕式缸套汽缸體兩大類，而汽油發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體是缸套和機(jī)體整體一次鑄造成型，經(jīng)加工后直接使用。

1.1 濕式缸套汽缸體真空消失模鑄造工藝分析

圖1所示是典型的四缸濕式缸套柴油發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體。其形狀屬于薄壁箱體類鑄件，由于缸套是單獨(dú)制造之后，通過(guò)和機(jī)體裝配在一起來(lái)工作的，因此缸套壁厚可以做的很均勻，不用擔(dān)心因壁厚不均勻而影響散熱。四個(gè)缸套中心距是由機(jī)體加工精度來(lái)保證。因此，此類缸體對(duì)鑄件的尺寸精度要求不是很高。由于鑄件的空腔又很大，用真空消失模鑄造工藝生產(chǎn)，不用擔(dān)心填砂問(wèn)題，首先要考慮的問(wèn)題則是模具加工難度及白模生產(chǎn)效率了。

1.2 干式缸套汽缸體真空消失模鑄造工藝分析

圖2所示是典型的四缸干式缸套柴油發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體。其形狀屬于薄壁帶水套復(fù)雜箱體類鑄件，由于缸套和機(jī)體整體一次鑄造成型，經(jīng)加工后，再壓入一薄壁工作缸套來(lái)工作的，因此，此類缸體對(duì)鑄件的尺寸精度要求很高。鑄件缸筒中心距尺寸精度、缸套中心線平行度、缸套中心線與曲軸位軸線的垂直度及在同一平面度，直接影響加工后缸套壁厚均勻度，影響缸套散熱從而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能造成致命的影響。由于此類鑄件存在水套空腔，這就導(dǎo)致用真空消失模鑄造工藝生產(chǎn)存在填砂問(wèn)題。同時(shí)，加工面過(guò)多也給鑄造提出了更高的要求。綜上所述，濕式缸套汽缸體真空消失模鑄造，主要應(yīng)考慮達(dá)到鑄件質(zhì)量要求，其次才考慮模具加工難度、白模成型效率等。

圖1 典型的四缸濕式缸套柴油發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體

圖2 典型的四缸干式缸套柴油發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體

1.3 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體和水套間隙較小的干式缸套汽缸體真空消失模鑄造工藝分析

圖3所示是典型的四缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體。其形狀屬于薄壁帶水套復(fù)雜箱體類鑄件。由于缸套和機(jī)體整體一次鑄造成型，經(jīng)加工后直接使用，壁厚更薄，因此，此類缸體對(duì)鑄件的尺寸精度及缸筒同曲軸位的形位公差要求較高，缸筒壁厚均勻程度將要求更高。由于此類鑄件存在水套空腔，且空腔間隙很小，一般只有3mm～8mm，這就導(dǎo)致用真空消失模鑄造工藝生產(chǎn)存在填砂問(wèn)題。同時(shí)，加工面過(guò)多也給鑄造提出了高要求。由于缸套加工珩磨后直接作為工作面使用，故汽缸體鑄件材質(zhì)保證也極為重要。綜上所述，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體的真空消失模鑄造，主要應(yīng)考慮達(dá)到鑄件材質(zhì)、尺寸精度及外觀質(zhì)量要求，其次才考慮模具加工難度、白模成型效率等。

圖3 典型的四缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體

2 汽缸體消失模鑄造模樣分片設(shè)計(jì)

2.1 濕式缸套汽缸體真空消失模鑄造模樣分片設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)濕式缸套汽缸體真空消失模鑄造工藝分析后得知，此類鑄件首要考慮的問(wèn)題則是模具加工難度及白模生產(chǎn)效率問(wèn)題。因此，我們采取如圖4所示的白模分片方式，以解決模具加工難度及白模生產(chǎn)效率問(wèn)題。從圖4分片可以看到，白模分片簡(jiǎn)單，易成型、粘接和檢查白模質(zhì)量及模具加工也容易。關(guān)鍵之處在于曲軸箱下部人為設(shè)計(jì)有定距工藝筋，白模粘接組合后，曲軸箱形成框架結(jié)構(gòu)，白模不易變形，鑄件尺寸易保證，同時(shí)模具結(jié)構(gòu)也有利于高效生產(chǎn)。由于填砂容易，可選擇把重要的缸蓋接觸面放在下部的鑄造位置。通過(guò)大批量生產(chǎn)實(shí)踐證明，圖5分片方式的真空消失模鑄造工藝，完全能解決鑄造發(fā)動(dòng)機(jī)濕式缸套汽缸體遇到的五大問(wèn)題。

2.2 干式缸套汽缸體真空消失模鑄造模樣分片設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)干式缸套汽缸體真空消失模鑄造工藝分析后得知，此類鑄件首要考慮的問(wèn)題則是達(dá)到鑄件質(zhì)量要求，其次才考慮模具加工難度、白模成型效率等。因此我們采取如圖4所示的白模分片方式，以解決高質(zhì)量鑄件要求問(wèn)題。

圖4 白模分片方式

圖5 分片方式

如圖4和圖5分片方式可以看到，關(guān)鍵之處是缸套和曲軸箱機(jī)體由模具一次整體成型，水套外壁再由模片粘接而成。這樣分片方式可有效的保證缸套中心距、缸套軸線平行度以及和曲軸軸線的垂直度，為此可很好的解決了五大問(wèn)題中的鑄件尺寸精度問(wèn)題。另外，缸套工作部位無(wú)需用膠粘接，既減輕了粘接難度，也降低了因黏膠而產(chǎn)生碳夾雜物缺陷傾向，不足之處在于主體模具結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。由于此類鑄件有水套存在，水套粘砂問(wèn)題，需謹(jǐn)慎處理。任何工藝都不是萬(wàn)能的，經(jīng)過(guò)實(shí)踐得出結(jié)論如下：水套間隙在8mm以上時(shí)，用以上分片方式比較理想，否則就有水套粘砂傾向。

2.3 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體和水套間隙較小的干式缸套汽缸體真空消失模鑄造模樣分片設(shè)計(jì)

此類汽缸體有二種方式可供選擇。

1）第一種方式

采用2.2分片方案。選擇耐火度較高，近乎球形（角形系數(shù)接近）的單一30目人造寶珠砂（或其他耐火度較高的人造砂）。此類砂特性：①流動(dòng)性好，便于填充緊實(shí)；②孔隙率接近50%，透氣性高；③耐火度較高，不易粘砂；④粒度單一，大小適度，對(duì)涂料層的背部支撐點(diǎn)均勻，涂料層不易開(kāi)裂。這些特性再加上一定的技術(shù)工藝措施，可很好地解決水套成型問(wèn)題，但也有材料成本較高的不足之處。

2）第二種方式

由于水套間隙較小，五大問(wèn)題中的水套粘砂問(wèn)題較為嚴(yán)重，需重點(diǎn)關(guān)注?？刹扇∩靶竞驼婵障ｈT造工藝相結(jié)合的方式很好的解決這個(gè)問(wèn)題。

圖6 覆膜砂芯預(yù)先放入水套間隙

如圖6所示，采用熱芯盒覆膜砂芯，在粘接膜片前預(yù)放入水套間隙中，實(shí)現(xiàn)預(yù)填砂，以解決水套間隙小，填砂困難，易出現(xiàn)水套粘砂問(wèn)題。由于砂芯作用，水套無(wú)需填砂，這樣可將重要的缸套缸蓋接觸面象濕式缸套汽缸體一樣放在下部的鑄造位置，更有利于保證質(zhì)量。由于水套砂芯的放入，使得白模分片及粘接變得較為容易，無(wú)需考慮水套內(nèi)壁粘接質(zhì)量。同時(shí)，由于砂芯的尺寸精度保證了水套壁厚及缸筒中心距尺寸精度。

3 模具工藝參數(shù)的選定

模具工藝參數(shù)包括：收縮率、加工量、起模斜度、分型負(fù)數(shù)等。依據(jù)白模選用原料的不同及制作工藝不同選擇相應(yīng)的工藝參數(shù)。

3.1 白模選用原料的影響

目前國(guó)內(nèi)普遍使用的消失模白模原料有二種：可發(fā)性聚苯乙烯（EPS）；可發(fā)性聚苯乙烯（EPS）和可發(fā)性聚甲基丙烯酸甲酯（EPMMA）二種材料單體合成的可發(fā)性共聚樹(shù)脂（STMMA）。依據(jù)鑄件的五大問(wèn)題之一，碳夾雜物缺陷問(wèn)題傾向來(lái)確定使用什么原料。

1）可發(fā)性聚苯乙烯（EPS）的選擇

對(duì)于無(wú)缸套的濕式缸套汽缸體真空消失模鑄造，由于成型簡(jiǎn)單、填砂容易、鑄件質(zhì)量容易保證及鑄件尺寸精度要求較低，可以選擇價(jià)位低的可發(fā)性聚苯乙烯（EPS）原料。雖然EPS料有含碳量高，碳夾雜物缺陷問(wèn)題傾向較大，尺寸收縮變化較大，但是實(shí)踐證明，通過(guò)一定措施的采用，還是能滿足鑄件質(zhì)量要求。

2）可發(fā)性共聚樹(shù)脂（STMMA）的選擇

對(duì)于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體及水套間隙較小的干式缸套柴油機(jī)汽缸體，因其缸套和機(jī)體一次整體鑄造成型，加工面多，且缸蓋結(jié)合面和缸套加工后，不容許有任何缺陷，因此，對(duì)白模成型原料則要求更高?？砂l(fā)性共聚樹(shù)脂（STMMA），雖然價(jià)格約是EPS的四倍，但因其含碳較少，收縮率小，尺寸穩(wěn)定，應(yīng)作為首選。

3.2 白模成型工藝及設(shè)備的影響

白模成型設(shè)備在國(guó)內(nèi)目前有三種：機(jī)械絲杠式手動(dòng)成型機(jī)、液壓式半自動(dòng)成型機(jī)和全自動(dòng)成型機(jī)。成型機(jī)設(shè)備會(huì)影響到白模成型質(zhì)量和生產(chǎn)效率，同時(shí)，對(duì)工藝參數(shù)選擇也稍有差異，在此需注意提前和模具加工廠做好溝通。汽缸體類鑄件產(chǎn)品在真空消失模鑄造工藝中是高端產(chǎn)品，因此，條件允許時(shí)，應(yīng)選擇高檔成型機(jī)以保證白模成型質(zhì)量。

3.3 工藝參數(shù)選定

1）選定EPS料時(shí)，模樣收縮率0.3%～0.5%.

2）選定STMMA料時(shí)，模樣收縮率0.1～0.2%.

由于汽缸體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各方向或不同部位其收縮率是不一樣的，可依據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際測(cè)量結(jié)果而定。合金材料變化收縮率也會(huì)發(fā)生變化。

3）加工量，一般不低于3mm，重要部位及鑄造位置上面應(yīng)適當(dāng)加大些，如5mm～8mm.

4）起模斜度，真空消失模鑄造工藝方式?jīng)Q定了模具的起模斜度，原則是能實(shí)現(xiàn)白模起模的情況下，起模斜度越小越好?，F(xiàn)在的鑄件圖紙一般是基于砂型鑄造工藝而設(shè)計(jì)，有些和真空消失模鑄造工藝不相符，可通過(guò)溝通做相應(yīng)調(diào)整。

5）分型負(fù)數(shù)，由于白模片用膠粘接及分型等因素會(huì)導(dǎo)致模樣尺寸加大，為了達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)尺寸要求，則需在模具設(shè)計(jì)時(shí)，減掉尺寸增加部分，此減掉的尺寸稱為分型負(fù)數(shù)。一般依據(jù)粘接方式（分手工或機(jī)械粘接）和部位確定0.3mm～0.6mm.

4 結(jié) 論

通過(guò)模樣分片工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)及生產(chǎn)實(shí)際驗(yàn)證說(shuō)明，在分析汽缸體鑄件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同結(jié)構(gòu)汽缸體而采用不同的模具結(jié)構(gòu)，通過(guò)模片優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)解決真空消失模鑄造一些工藝問(wèn)題是消失模鑄造技術(shù)人員必須要做的重要工作，不能把模具設(shè)計(jì)看成是模具廠該承擔(dān)的責(zé)任與己無(wú)關(guān)。模具廠設(shè)計(jì)人員往往只關(guān)注模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，忽略鑄造工藝，而真空消失模模具設(shè)計(jì)一定程度上已決定以后的鑄造工藝，因此，消失模鑄造技術(shù)人員和模具廠設(shè)計(jì)人員合作來(lái)完成真空消失模模具設(shè)計(jì)是必須的。

鑄造技術(shù)人員在對(duì)新開(kāi)發(fā)鑄件設(shè)計(jì)真空消失模鑄造工藝之前，一定要進(jìn)行工藝分析?，F(xiàn)有鑄件大部分是按砂型鑄造或其它鑄造方式設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)相對(duì)于消失模鑄造工藝不一定合理。在了解鑄件使用功能的情況下，分析工藝，不排除和鑄件（使用者）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者溝通后，更改結(jié)構(gòu)以適合消失模鑄造。如我們?cè)趯?duì)帶缸套汽缸體工藝分析后，同客戶溝通協(xié)商后，對(duì)缸蓋出水孔及水套外側(cè)工藝出砂孔等就進(jìn)行了變更，以便最大限度適合于消失模鑄造。

實(shí)踐證明，模樣分片工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)促進(jìn)解決發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體消失模鑄造缺陷五大問(wèn)題是有效的。