黃樺，陳之偉，榮玉良，趙群憲，劉彬，蔡一法，李景鋒，秦海波

1.概述

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體水套砂芯結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸精度高，壁厚薄，清理困難。根據(jù)其特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)大部分生產(chǎn)廠家目前均采用熱芯盒覆膜砂制芯工藝，與冷芯盒制芯相比其具有以下特點(diǎn)：

（1）強(qiáng)度高 覆膜砂固化后強(qiáng)度很高，常溫抗拉強(qiáng)度＞2.8MPa，比油砂高2～3倍。用該法造出的薄壁水腔芯，除具有足夠的強(qiáng)度外，還具有良好的透氣性和出砂性。

（2）流動(dòng)性好 覆膜砂在固化前是干態(tài)的松散砂，流動(dòng)性好，有利于射制形狀復(fù)雜的砂芯。

（3）吸濕性小 覆膜砂在室溫下能保存幾個(gè)月，固化后砂芯吸濕性很小，可長(zhǎng)期存放。

（4）潰散性好 在高溫鐵液作用下，樹(shù)脂燒損，砂芯潰散性特別好，便于清理。

如圖1所示，我公司的某汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體相比其他缸體而言具有水套砂芯高度高（高度為121.5mm），水套壁薄（最薄位置為3mm左右），起模斜度?。ù蟛糠炙變?nèi)壁起模斜度為0.5°，外壁起模斜度為1°），與圓棒芯裝配時(shí)的水套爪較多且壁?。ê穸燃s為4mm）。芯盒在設(shè)計(jì)和制作過(guò)程中，為防止氣孔缺陷在水套爪部設(shè)置了很多頂桿和通氣針結(jié)構(gòu)。由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和芯盒設(shè)計(jì)的原因，該氣缸體水套芯從產(chǎn)品投入生產(chǎn)開(kāi)始，廢品就居高不下，有時(shí)單班次廢品率高達(dá)20%以上，周平均廢芯率高達(dá)11.97%，嚴(yán)重影響了制芯線的開(kāi)動(dòng)率，成為制芯工段的瓶頸工位，影響了整個(gè)車間缸體生產(chǎn)的產(chǎn)能。目前某復(fù)雜水套砂芯采用老模和備模同時(shí)在線生產(chǎn)，出現(xiàn)的廢品主要分為以下6種情況。

一是水套爪部疏松和斷爪缺陷（疏松位置不固定且老模比備模更嚴(yán)重）。

二是水泵口位置疏松（備模比較嚴(yán)重）。

圖1 某復(fù)雜水套砂芯三維數(shù)模及實(shí)物

三是射砂棒不脫模（備模比較嚴(yán)重）。

四是水套拉模劃痕（現(xiàn)場(chǎng)觀察備模有，中班值班記錄上老模也有）。

五是水套砂芯F20面缺肉（備模比較嚴(yán)重）。

六是水套芯F40面澆注后裂紋使水套孔堵塞。

上述6個(gè)問(wèn)題成因復(fù)雜，嚴(yán)重影響了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)質(zhì)量。

2.覆膜砂制芯工藝及流程

我公司水套制芯機(jī)采用的是兩臺(tái)韓國(guó)SH—159A型熱芯盒水平分型制芯機(jī)（見(jiàn)圖2），一模六腔（見(jiàn)圖3、圖4），采用加熱管電加熱的方式進(jìn)行加熱，覆膜砂采用萊州天鼎舟的普通覆膜砂，配比覆膜砂時(shí)酚醛樹(shù)脂占1.0%～3.0%，烏洛托品(水溶液l∶1)占10%～15%，硬脂酸鈣占5%～7%，添加劑占0.1%～0.5%。其制芯順序?yàn)椋洪_(kāi)?！鷫嚎s空氣吹掃→噴脫模劑→合?！颇！！渖啊艢狻的！颇！袒_(kāi)模和移上頂出板→移動(dòng)卸芯機(jī)→移動(dòng)下頂出板→退回卸芯機(jī)→取芯→去毛刺→砂芯質(zhì)量檢查。制芯關(guān)鍵參數(shù)見(jiàn)表1，下芯盒芯腳位置頂桿和通氣針布置情況如圖5所示。

從圖3～圖5可以看出，在起模斜度下，砂芯高度高，芯腳位置狹窄，工藝還布置如此眾多的頂桿和通氣針，現(xiàn)有產(chǎn)品和芯盒結(jié)構(gòu)難以改變的情況下，該水套芯盒采用一模六腔的結(jié)構(gòu)，制芯存在很多的問(wèn)題，且目前該芯盒采用的是很濃稠的油基脫模劑進(jìn)行脫模，芯盒芯腳位置很容易粘上臟物，之前芯腳位置通氣針尺寸為φ3mm×65mm，且采用了T10的熱硬性很差的材質(zhì)，極易斷裂，水泵孔厚大，且周圍位置無(wú)射嘴和排氣，芯腳底部也未設(shè)置排氣，以上產(chǎn)品和芯盒結(jié)構(gòu)特點(diǎn)造成此芯盒從投產(chǎn)之初到現(xiàn)在廢品率一直居高不下，該水套砂芯剛投產(chǎn)之初廢芯率即高達(dá)50%，直到2014年初經(jīng)過(guò)多次改進(jìn)后廢芯率仍舊在10%～20%波動(dòng)，制芯廢品問(wèn)題亟待解決。

3.生產(chǎn)中主要質(zhì)量問(wèn)題及對(duì)策

（1）水套爪部疏松和斷爪缺陷 經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的生產(chǎn)觀察發(fā)現(xiàn)，水套爪部疏松和斷裂主要有以下幾點(diǎn)原因：通氣針材質(zhì)過(guò)軟、通氣針過(guò)長(zhǎng)、通氣針?lè)磸?fù)矯正等原因使其彎曲、制芯起模時(shí)折斷芯腳；模腔爪部不清潔，有異物；爪部憋氣，排氣不暢，射砂不緊實(shí)形成疏松；上部刮砂板帶砂到模腔內(nèi)或吹砂時(shí)不小心散砂落入到型腔中；脫模劑噴槍堵塞，脫模不暢爪部異物過(guò)多，造成下一型充型不實(shí)；射砂嘴堵塞，或密封圈破損而漏氣，使射砂壓力相對(duì)不足，射砂嘴損壞等原因。

圖2 韓國(guó)SH—159A型熱芯盒水平分型制芯機(jī)

圖3 一模六腔的水套芯盒結(jié)構(gòu)

圖4 單個(gè)下模塊結(jié)構(gòu)

圖5 下芯盒芯腳位置頂桿和通氣針布置情況

表1 某復(fù)雜水套芯熱芯盒制芯關(guān)鍵工藝參數(shù)

水套爪部疏松廢品如不及時(shí)挑揀出報(bào)廢，澆注后會(huì)使對(duì)應(yīng)的缸體水道形成堵塞缺陷（見(jiàn)圖6），后果嚴(yán)重。

防止方法：更換底部通氣針材質(zhì)T10為SKD11，通氣針的規(guī)格更改為φ2.5mm×60mm和φ2mm×30mm，點(diǎn)檢規(guī)定禁止重復(fù)使用彎曲后反復(fù)矯正的通氣針；芯盒每周徹底清理一次；芯盒底部加熱板上增加排氣道進(jìn)行排氣(見(jiàn)圖7)；注意點(diǎn)檢和更換設(shè)備上刮砂板，減少吹散砂頻次；定期點(diǎn)檢脫模劑噴槍情況，定期點(diǎn)檢射砂嘴和密封圈。

關(guān)于易在芯腳位置積聚惡化疏松和斷爪問(wèn)題的油基脫模劑，試過(guò)多家供應(yīng)商的水基脫模劑，均因試驗(yàn)失敗而終止；對(duì)于芯腳底部雜物難清理問(wèn)題，試驗(yàn)采用干冰在線清理，效果良好。

（2）水泵口位置疏松 斷爪問(wèn)題解決后，水泵口疏松問(wèn)題一度升為水套芯TOP1質(zhì)量問(wèn)題（見(jiàn)圖8），剖開(kāi)砂芯可見(jiàn)此處呈酥松不固化狀態(tài)，開(kāi)始一直認(rèn)為是固化溫度不足引起，后續(xù)分析后發(fā)現(xiàn)水泵口疏松產(chǎn)生的最主要原因是此處憋氣。

解決水泵口疏松問(wèn)題共采用了以下4種方案。

方案1：下模水泵口底部增加一個(gè)φ8mm排氣塞，如圖9所示。

方案2：水泵口芯頭延長(zhǎng)并增加輔助射嘴，如圖10所示。

方案3：水泵口側(cè)邊增加一個(gè)輔助射嘴，如圖11所示。

方案4：在水泵口配合面上增開(kāi)兩個(gè)排氣槽，如圖12所示。

以上4個(gè)方案是按照時(shí)間順序開(kāi)展的，不斷改進(jìn)，該問(wèn)題出現(xiàn)之初，即在上芯盒水泵口芯盒底部增加了一個(gè)φ8mm的排氣塞，該方案在起初效果很好，水泵口疏松基本解決，但由于該制芯機(jī)上芯盒刮砂板經(jīng)常磨損，造成上芯盒刮砂不干凈，排氣塞底部的排氣道經(jīng)常被散砂堵塞，需要經(jīng)常清理頂部排氣道，從而影響生產(chǎn)節(jié)拍；后續(xù)想采用方案2和方案3增加輔助射嘴的方式增加此處砂充型能力，但方案2的缺點(diǎn)是需要改動(dòng)邊芯等，改動(dòng)量很大，目前昆山豐田的芯盒采用此種方法解決水泵口疏松問(wèn)題；方案3目前在制作另外的一套備模時(shí)已經(jīng)采用，解決疏松效果良好，但是需要清理射嘴殘余。因?yàn)樵黾虞o助射嘴需要移動(dòng)加熱管孔位置，現(xiàn)有的兩套芯盒已經(jīng)無(wú)布置輔助射嘴的空間，故經(jīng)過(guò)試驗(yàn)后，選擇在現(xiàn)有兩套芯盒上增開(kāi)兩個(gè)排氣槽的方式，通過(guò)改進(jìn)后，目前水泵口疏松問(wèn)題已經(jīng)徹底得到解決。

圖6 水套爪部疏松廢品及其對(duì)應(yīng)的缸體水道堵塞缺陷

圖7 底部排氣道

圖8

圖9

（3）射砂棒不脫模 射砂棒是指芯盒射砂后，從射砂口至砂芯的射砂通道內(nèi)的覆膜砂經(jīng)固化后殘留在型芯上的砂柱。射砂棒在生產(chǎn)中毫無(wú)用處，修芯時(shí)必須將其清除，而且射砂棒在制芯過(guò)程中還會(huì)帶來(lái)諸多不利因素，但它是射制砂芯時(shí)難以避免的產(chǎn)物，上一盒射砂棒未脫落會(huì)直接影響到下一盒制芯，造成制芯廢品，此廢品一度成為水套制芯廢品的TOP3廢品問(wèn)題，因此在芯盒的設(shè)計(jì)和制造時(shí)應(yīng)予以重視。

我廠出現(xiàn)射砂棒不脫模的原因：射嘴襯套內(nèi)壁未拋光較粗糙；射嘴襯套長(zhǎng)久使用磨損有倒錐；上頂桿松動(dòng)、彎曲或磨損，高度不一致，彎曲容易使襯套內(nèi)壁劃傷，導(dǎo)致表面粗糙度值高。

其防止方法：主要為上頂桿材質(zhì)采用H13鋼，整體熱處理硬度49～51HRC；上頂桿布置按照目前C14水套A模的階梯形尺寸制作，高度落差改為3mm，φ5mm×62mm（20根）、φ6mm×63mm（20根）、￠φ7mm×68mm（20根）。備件入庫(kù)前嚴(yán)格保證襯套表面粗糙度，襯套備件內(nèi)外壁加工采用磨削方式，對(duì)不滿足表面粗糙度要求的進(jìn)行拋光處理后再更換；對(duì)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)不脫模的射嘴襯套做好標(biāo)記，在生產(chǎn)間隙進(jìn)行更換；對(duì)磨損和彎曲的上頂桿及時(shí)進(jìn)行檢查和更換。

（4）水套拉模劃痕 由于該水套高度很高，起模斜度小，加上是一模六腔結(jié)構(gòu)，整體脫模，所以對(duì)型腔的表面粗糙度等要求極高，水套拉模劃痕類似于砂芯脈紋，會(huì)造成缸體水道壁多肉粗糙（見(jiàn)圖13），水套上出現(xiàn)劃痕也會(huì)影響砂芯強(qiáng)度，造成澆注后產(chǎn)生砂芯裂紋。其產(chǎn)生的主要原因?yàn)椋耗＞邇?nèi)壁表面粗糙度值高；模具表面有雜物未及時(shí)清理干凈；上模模溫太高導(dǎo)致覆膜砂內(nèi)樹(shù)脂被烤出流掛到側(cè)壁形成長(zhǎng)條狀突出物；射砂壓力過(guò)大導(dǎo)致覆膜砂內(nèi)樹(shù)脂與砂分離積聚在側(cè)壁形成長(zhǎng)條狀突出物；脫模劑與砂混合的黏附物等。

其改進(jìn)方法：模具保養(yǎng)時(shí)重點(diǎn)檢查側(cè)壁，對(duì)不光滑和表面粗糙度值高的位置及時(shí)清理和拋光，控制模溫和射砂壓力不要太高，更換高性能噴槍，改進(jìn)脫模劑等。

圖10

圖11

圖12

圖13 缸體水套內(nèi)壁多肉粗糙

（5）水套砂芯F20面缺肉 如圖14所示，該問(wèn)題出現(xiàn)的主要有以下幾點(diǎn)原因：射砂棒過(guò)粗去除時(shí)帶肉；此處模溫不足造成固化不良缺肉；缸杯和底座配合不良形成倒錐，脫模后缺肉。

其防止方法：射嘴襯套磨損后及時(shí)更換；定期檢查加熱管冷態(tài)阻值，損壞的加熱管及時(shí)更換；每次芯盒維護(hù)保養(yǎng)時(shí)重點(diǎn)檢查缸杯和底座配合情況，與缸杯配合的底座無(wú)損壞，安裝緊固完畢后缸杯四周比底座略小，安裝配合后底座可見(jiàn)寬度0～0.15mm間隙，過(guò)寬容易形成飛翅。

（6）水套芯F40面澆注后裂紋使水套孔堵塞 如圖15所示，缸體水套F40裂紋問(wèn)題一直存在，該水套F40面是該水套砂芯最薄的位置（最薄為3mm左右），分析形成裂紋的主要原因有以下幾點(diǎn)：模具起模不良，頂出芯時(shí)頂裂砂芯；砂芯頂出或者清理過(guò)程中斷裂，運(yùn)輸過(guò)程中撞裂；此處下芯撐位置狹窄，下芯撐后澆注過(guò)程由于收縮等原因撐裂；上模模溫太高導(dǎo)致覆膜砂內(nèi)樹(shù)脂被烘烤流出或射砂壓力過(guò)大，導(dǎo)致覆膜砂內(nèi)樹(shù)脂與砂分離，使砂芯強(qiáng)度降低，此處位置壁最薄，砂芯強(qiáng)度不夠；芯盒固化溫度過(guò)高，砂芯過(guò)燒，強(qiáng)度降低，澆注時(shí)易斷裂；芯砂熱抗拉強(qiáng)度不足；芯撐尺寸不符合要求，過(guò)大或者過(guò)小。

其防止方法：砂芯清理和運(yùn)輸時(shí)注意輕拿輕放，有裂紋的砂芯做報(bào)廢處理，避免溢出工位；控制模具加熱溫度和射砂壓力；模具實(shí)際加熱溫度（測(cè)溫槍測(cè)量缸杯側(cè)壁）控制在215～260℃；模具維護(hù)保養(yǎng)時(shí)和生產(chǎn)前重點(diǎn)檢查加熱管、傳感器、熱電偶和插座接線等，應(yīng)完好無(wú)破損，接線盒內(nèi)部無(wú)積砂和雜物、保證熱電偶插入深度到孔底位置；加熱管冷態(tài)阻值范圍16～23Ω；控制芯撐來(lái)料質(zhì)量和尺寸；加強(qiáng)芯砂抗拉強(qiáng)度檢測(cè)與控制；增大芯盒下芯撐位置尺寸，單邊增大0.225mm。

4.改進(jìn)后效果跟蹤

通過(guò)上述6個(gè)水套砂芯TOP缺陷問(wèn)題的解決，水套砂芯質(zhì)量得到了很好的控制，廢品率從單班次20%以上降低至4%以下，并得到了穩(wěn)定，目前水套裂紋、水泵口疏松、水套拉模等問(wèn)題已經(jīng)徹底解決，如圖16所示。

5.結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)水套熱芯的缺陷原因進(jìn)行分析，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和芯盒結(jié)構(gòu)已固定無(wú)法進(jìn)行大的更改的情況下，并通過(guò)各方面改進(jìn)制定了防止措施，取得了很好效果，降低了廢品率，提高了生產(chǎn)開(kāi)動(dòng)率，降低了生產(chǎn)成本。

圖14 水套F20面缺肉及對(duì)應(yīng)的缸體F20面位置多肉

圖15

圖16 我公司2013年某水套實(shí)際制芯廢芯率情況

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