寶珠砂冷芯工藝提升康明斯2.7CTI缸體水套內腔質量

編輯導語：

       介紹了康明斯2.7CTI柴油發動機缸體水套砂芯的結構特點，針對研發試制過程中水套內腔出現的粘砂、變形、斷芯等問題，分析了與內腔質量強相關的工藝管控要素。通過采用寶珠砂冷芯制備工藝、涂刷鋯英粉醇基涂料、設計隨形排氣鑲塊以及清理工序的調整和完善，最終獲得了水套內腔光潔、尺寸合格的優質鑄件，滿足了產品的批量化生產需求,供同行參考。

       水套的主要作用是通過冷卻液的循環流動，持續將發動機燃燒室和缸體內壁的溫度轉移至散熱器，使缸體所處的熱環境穩定、可控。隨著缸體輕量化和集成化趨勢的不斷發展，水套內腔的設計空間不斷被壓縮，導致水套砂芯的壁厚越來越纖薄，輪廓結構也越來越復雜，從而極大地增加了內腔粘砂和尺寸波動的質量風險。

       2.7CTI柴油發動機缸體是一款直列式四缸機，鑄件牌號HT250，毛坯質量約78 kg，最大輪廓尺寸465 mm×400 mm×260 mm，鑄件結構如圖1所示。該產品采用濕型砂重力鑄造工藝，一型2件布局。水套砂芯長475 mm，最小壁厚3 mm（形成橫截面呈長條狀的缸間冷卻水槽，共3處），采用三乙胺冷芯制芯法，結構如圖2所示。

圖1 2.7CTI缸體鑄件

       開發試制初期，缸體水套內腔存在較為普遍的粘砂現象，集中分布在兩缸之間的狹縫處。通過進一步的產品切割和壁厚檢測，發現沿長度方向上的缸孔壁厚均勻性較差，嚴重時可在缸孔外壁上看到“臺階”現象（水套砂芯的中間薄壁斷裂所致）。此外，還存在水套內腔出砂困難和內壁易附著“黑灰”的問題，為后續的鑄件清理和質量管控帶來困擾，存在較大的質量隱患，見圖3。

圖2 水套砂芯

（a）斷芯

（b）粘砂

圖3 水套斷芯與粘砂缺陷

       針對上述問題，分析了與內腔質量強相關的工藝管控要素，采取了一些列措施，最終獲得了水套內腔光潔、尺寸合格的優質鑄件，滿足了產品的批量化生產需求。

       工藝措施及其驗證

       （1）選用100%寶珠砂制備工藝

       在工藝改進過程中，通過采用不同的寶珠砂添加比例，驗證水套砂芯的變形趨勢和粘砂情況。從表1可以看出，隨著寶珠砂添加比例的不斷升高，砂芯變形程度、粘砂比例和清理難度在整體上呈下降趨勢，但是硅砂的存在對驗證結果的影響仍然是非常顯著的。

表1 寶珠砂制芯效果驗證

       為了最大限度地提升過程穩定性，降低質量風險，我們選取100%寶珠砂添加比例進行2.7CTI缸體水套砂芯的射制。

       （2）采用雙層涂刷工藝

       為了進一步降低2.7CTI缸體水套砂芯表層的微孔尺寸，提升薄壁橫梁部位的高溫抗粘砂能力，我們采用了水基涂料結合醇基涂料的雙層涂刷工藝。

       綜上措施，生產驗證結果顯示，2.7CTI缸體水套內腔的粘砂比例下降至3%以內，粘砂形態由原來的團塊狀轉變為凸點狀，易于清理。此外，水套薄壁橫梁部位的高溫形變量整體穩定在0.5 mm以下，缸孔壁厚均勻性得到明顯改善，符合產品技術要求（圖5）。

圖5 量產階段的2.7CTI缸體內腔切割狀態