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[发动机] 电喷铸铁缸盖铸造技术研究与应用

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发表于 2020-3-6 11:15:11 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 inshu 于 2020-3-6 11:16 编辑

电喷铸铁缸盖铸造技术研究与应用

毕国永
(东风商用车有限公司铸造一厂,十堰 442003)
【中国汽车材料网】摘要:根据电喷发动机铸铁缸盖铸件的结构特点及性能要求,采用水套砂芯结构优化及加固、垂直浇注工艺、合理设计浇注系统、冒口等方案,解决了生产中铸件砂眼、气孔、渗漏等问题。生产结果表明,工艺方案合理、可行,产品质量完全满足技术标准要求。
关键词:电喷铸铁缸盖 气孔 砂眼 缩松 浇注系统

1 前言

4H发动机是东风商用车有限公司开发的四气门电喷发动机,具有低排放、大马力、结构紧凑等特点,缸盖是该发动机的重要零部件之一,汇集了进排气、冷却、温控、润滑等功能,其底平面与活塞顶及气缸内壁共同组成燃烧空间,是柴油机燃烧室的一部分,铸件需承受较大的变载荷作用。缸盖是由多空腔组成的薄壁铸件,结构形状十分复杂,各项性能指标要求也较高,除了要具有较好的抗疲劳性能外,还对铸件的气密性、进气道的形状与表面状况均有严格要求,因此其尺寸精度与内腔粗糙度要求较高。

根据以往生产实践的经验,此类缸盖铸件常见的铸造缺陷主要包括气孔、砂眼、缩松渗漏等,由于铸造工艺复杂,能否按期生产出合格铸件,关键取决于前期的有效分析、选定合适的铸造工艺方案,及时解决好生产过程中出现的问题。

2 铸件结构及性能要求

2.1 铸件概况

4H缸盖为4缸4气阀缸盖,铸件外部结构见图1,外廓尺寸为598×275×122 mm,质量65 kg,主要壁厚5 mm;从铸件结构上看,水套为上、下两层结构(图2),细长而单薄,最薄处仅2 mm,进气道细而长(图3),喷油孔一周、供油管与摇臂座等形成较大的结构热节,热节多而分散。

2.2 铸件技术要求

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图1 缸盖外部结构
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图2 上、下水套结构
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图3 进气道、排气道结构

铸件材质为合金灰铸铁,本体硬度HB179~HB235。铸件加工后,在0.16 MPa的压力下,水管路允许的泄漏量为6 cm3/min,无压力机油水管路的泄漏量为4.5 cm3/min,有压力机油水管路的泄露量为2.5 cm3/min,柴油管路的泄露量为2.5 cm3/min,基于以上数据可知该缸盖是典型的薄壁、高强度、高致密性铸件。

3 铸造工艺设计

3.1 确定整体铸造方案

该缸盖水套为上、下两层结构(图4),网状结构排气困难,铸件容易产生气孔,同时上、下水套芯细长而单薄,铸件容易产生内腔烧结和断芯;喷油孔一周、供油管与摇臂座等结构热节,铸件容易产生缩松漏水;砂芯数量多,生产工序多,过程控制难度大,铸件容易产生砂眼。

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图4 进气道、排气道、上水套、下水套砂芯装配示意

根据铸件结构特点,有两种工艺方案可供选择,一种是平浇方案,另一种是立浇方案,两种方案优缺点如下。

a.平浇方案。一型二件,工艺较成熟,但生产效率低,同时铸件内腔的砂芯要承受高温铁水冲击、烘烤、浮力作用,铸件容易产生气孔、变形、烧结和砂眼等缺陷,解决变形难度较大。

b.立浇方案。目前国外有成功应用,并批量生产。立浇方案一型浇注四件,生产效率高,铁水流向与气道芯、水套芯等方向基本同向,铸件不易变形、漂浮,但砂眼、气孔相对不太容易解决。

将两种方案对比分析,通过设置合理的顶置冒口,加上合适的排气、排砂系统,砂眼和气孔缺陷可以得到控制和消除,另外,立浇方案一型浇注四件,生产效率高,可以缓解HWS线的能力缺口,因此最终确定立浇工艺方案。

该零件的铸造工艺采用整体组芯下芯的方法,即整个缸盖全部采用砂芯形成,制芯后涂料、烘干,再组合在一起,用螺杆紧固,放在输芯小车上,造型工序由下芯夹具人工下入型腔。

3.2 确定浇注位置和分型面。

铸件主分型面为排气道水平中心面,铸件重要面底面放在外侧,这样有利于布置补缩冒口且保证重要面质量。为保证砂眼、渣眼和气体的顺利排出,内浇口设置在底部,即底注浇注方式。

3.3 设计浇冒口系统

该零件采用立浇方案浇注,可以考虑侧浇式浇注系统和底注式浇注系统两种方案。侧浇式浇注系统的铁水液流下落高度较低,温度分布较为适宜,便于选择内浇口开设位置,但因为缸盖两两相连,浇注系统呈网状结构,铸件难于清理。采用底注式浇注系统,铁水充型平稳,排气方便,不易冲坏型腔和砂芯,不易引起铁水飞溅,适合浇注薄壁缸盖铸件。经对直浇口进行精心设计,如在横浇口处做出圆角和积砂槽等,可显著减少液流的紊乱程度和砂/渣等,因此,浇注系统采用立浇底注式。

该铸件由于在铸造生产中含有大量的砂芯,砂芯在浇注过程中肯定会产生大量的气体,因此必须设计出气口进行排气。喷油孔一周和摇臂座存在结构热节,必需设置补缩冒口。补缩冒口、排气口主要设置在进气道芯芯头部位、进气管法兰和分型面处。

从排砂/渣、排气和利于补缩等几方面考虑,采用底注、先封闭后开放式浇注系统。浇注系统见图5。

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图5 初始浇注方案

浇冒口系统设计完成后,对缸盖的铸造过程进行CAE模拟分析。充型过程模拟铁水在浇注过程中的流动方向和速度情况及气体压力情况,从而预测铸件可能出现的砂眼、气孔和渣眼等缺陷;通过模拟铸件的凝固温度场变化,预测铸件缩松倾向及发生部位。

充型分析结果表明,浇注系统基本能够保证金属液平稳充型。但在铸件最顶部且铸件中间部位气压较高,应增设排气孔加强排气,以避免气孔等缺陷。

凝固分析结果表明,铸件摇臂阀座部位最后凝固,此时冒口已经凝固,无法得到有效补缩,并形成热节,该部位易产生缩松缺陷,应采取增大冒口等措施。另外,在铸件上表面冒口之间的部位也易产生缩松缺陷,应适当加大冒口颈尺寸,提高补缩范围。

根据模拟结果,对工艺方案进行了改进与优化,修改了补缩冒口尺寸,同时也增加了排气针/片。

3.4 砂芯设计

砂芯主要由底座芯、顶盖芯、上、下水套芯、进、排气道芯组成,共6种砂芯。其中底座芯、顶盖芯、进、排气道芯等结构简单,对砂芯强度等没有特殊要求,因而其砂芯采用冷芯工艺。但上、下水套芯长而单薄,因而砂芯必须具有较高的常温、高温强度和较高的致密性,而高强度覆膜砂芯这一性能均优于冷芯,因而采用热芯覆膜砂工艺是一个较好的选择,这样可以改善因砂芯强度低产生断芯等缺陷。

上、下水套芯结构长而单薄,砂芯容易变形和断裂,因此上、下水套均增加芯头以增强砂芯刚度,见图6。

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图6 水套芯加强型芯头结构

为了保证气道尺寸精度,进气道芯、排气道芯采用整体砂芯结构。

设计完成后的砂芯装配见图7。

全部砂芯采用正式工装制芯后,整体浸涂料,烘干后再组合在一起,整体用吊芯夹具下入型腔内。

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图7 砂芯装配示意

3.5 其它工艺参数

a.浇注温度。选择1 420±10℃,浇注时间26 s左右。

b.材质选择。产品要求为HT250,炉前化学成分见表1。

表1 炉前化学成分%
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c.机械加工余量。顶面、底面为4 mm;进、排气侧面和前、后端面最小为3.5 mm,出砂孔加工量为3 mm;铸件内腔主要壁厚、螺栓搭子直径、机油盘面表皮壁厚、斜油孔等工艺补正0.5 mm左右;分型、分盒负数上下各为0.1 mm。

4 生产验证

4.1 生产验证问题

采用正式工装验证时,主要存在水套芯疏松、铸件顶面砂眼、喷油孔和导管孔缩松、上、下水套芯烧结等问题。

4.2 原因分析及改进措施

4.2.1 上、下水套芯疏松

上下水套芯疏松部位主要集中在上下水套芯较薄处和死角区,芯砂虽然采用干态覆膜砂,流动性很好,但射砂时芯盒排气不畅,结构单薄,砂芯仍然会出现疏松缺陷。砂芯结构单薄无法改变,加强芯盒排气、改善结构是解决砂芯疏松的重要手段。

砂芯单薄部分疏松,一方面在砂芯成型部位增加排气塞,在芯盒非成型部位增加深0.5 mm的排气槽和排气通孔,砂芯疏松有一定好转,但是仍然疏松;另一方面经与产品设计部门协商,改进单薄部分局部结构,砂芯疏松得到了较好解决。

另外,芯盒定期清洗保养也是保证砂芯致密的一个非常重要的前提条件,所以生产过程中一定要加强芯盒的日常保养。

4.2.2 缸盖顶面砂眼

砂眼缺陷表现在铸件抛丸后和加工后,主要集中顶面摇臂座和进气管口,见图8,进气管口面砂眼缺陷会影响进气管口的密封性,而摇臂座砂眼可能影响缸体缸盖紧固螺栓搭子的强度,因此这两种缺陷是不允许存在的。

经现场调查分析,砂眼产生的主要原因如下。

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图8 缸盖毛坯表面和加工面缺陷

a.水套芯砂采用高强度覆膜砂,其强度相对较高,但其它砂芯采用冷芯树脂砂,强度较低,特别是在高温状态下,因铁水冲击等原因造成砂芯溃散产生砂眼;

b.生产过程中,砂芯表面有浮砂,而修芯时、组芯前又没有吹净砂芯表面浮砂,造成浇注时芯砂裹在铁水里,最后形成铸件砂眼。

c.浇注系统撇渣效果较差。

对此,从“节源开流”角度采取了如下措施。

a.适当增加冷芯树脂砂加入量,提高砂芯强度;

b.顶盖芯、底座芯横浇道与烘干炉托板、储芯小车直接接触,可能带入其它浮砂等,为此在相应砂芯上增加5 mm深的横浇道;

c.横浇道末端增加积砂槽;

d.过滤网的位置由分型面改为内浇口前方;

e.底座、顶盖砂芯改进排气系统,减少砂芯疏松。

采取上述措施后,铸件砂眼废品率有了较大的下降,但没有达到预想的目标值;再次讨论分析得出在冷芯质量方面,由于顶盖芯结构复杂,形状密集,较小的形状部分不易射紧实,浇注时高温铁水冲刷而溃散。考虑进一步采取三项措施,一是芯盒增加排气塞增加排气效果,二是改用高温性能更好的涂料,三是改底注式为侧注双层浇注系统,见图9,减少铁水对内浇口的冲刷时间。

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图9 侧注方案图

通过上述多项改进措施,该铸件的砂眼废品率大幅度降低。

4.2.3 喷油孔和导管孔缩松

铸件缩松主要表现在铸件加工后试压时铸件漏水,经解剖分析,主要缩松部位分布在缩松喷油孔和供油管处,缩松部位及形态见图10、图11。

统计分析显示,缩松以喷油孔缩松为主,供油管缩松为次。分析原因,主要有以下几方面。

a.铸件结构热节大,热节多,见图12;

b.碳当量偏低;

c.冒口补缩效果不好。

对此,采取如下措施。

a.在保证强度的条件下,适当提高碳当量;

b.在进气管侧增加补缩冒口,利用立浇的优势,两处热节共用一个冒口。

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图10 喷油孔缩松
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图11 供油管处缩松
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图12 喷油嘴和供油管孔结构

采取上述措施后,因缩松漏水造成铸件报废率降至1%以下。

5 结束语

经过多轮的调试与验证,在硬件条件相对不足的情况下,摸索出了一套4气门电喷缸盖铸件垂直浇注的稳定的铸造生产工艺,该工艺方案合理可行,各种工艺改进均在工装和工艺文件中得到了固化。该零件于2008年通过了台架试验考核及公司的PPAP审核,4H缸盖开始批量生产装机,至今累计生产近18万件。随着生产流程的逐渐完善,操作工的熟练程度的提高,质量有较大的提升,铸件尺寸精度良好,综合废品率控制在5%左右。


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