新型發(fā)動機缸體結(jié)構(gòu)設(shè)計與生產(chǎn)工藝

新型發(fā)動機缸體結(jié)構(gòu)設(shè)計與生產(chǎn)工藝

作者公司與國外一家發(fā)動機設(shè)計公司聯(lián)合開發(fā)出了國際先進(jìn)的柴油發(fā)動機。圖1顯示了發(fā)動機的主體結(jié)構(gòu)。輪廓尺寸為420.6mm供應(yīng)商，8m25.5mm25.5mm，最小壁面厚度僅為4mm，鑄造質(zhì)量為58kg，材料標(biāo)志為ht50。主體的硬度為220.275hb。試驗桿的承受力為300mpa。干箱是典型的薄薄件和復(fù)雜銅件。1砂芯的組合及定位由于該缸體形狀復(fù)雜,壁厚小,尺寸精度又必須達(dá)到CT8級,因此砂芯之間的相互組合、準(zhǔn)確定位,保證鑄件尺寸精度,同時兼顧鑄件生產(chǎn)的經(jīng)濟性和可靠性,是鑄造工藝設(shè)計的重點和難點。1.1鑄造工藝參數(shù)設(shè)計采用KW水平分型靜壓鑄造生產(chǎn)線,砂箱尺寸1000mm×800mm×350/350mm,一箱2件。采用組芯造型工藝,整個鑄型由18個砂芯組成。主體砂芯采用冷芯盒制芯,水套芯、油腔芯采用熱芯盒覆膜砂制芯。主要工藝參數(shù)為:鑄造收縮率1.0%,外模起模斜度1°~2°,芯盒起模斜度1.5°,鑄造加工余量1~3mm。組芯工藝如圖2所示。1.2鐵液對鑄型的沖刷控制采用中注、半開放式澆注系統(tǒng)[1~3],在集渣包底部設(shè)置陶瓷過濾片進(jìn)行擋渣。澆注系統(tǒng)最小截面設(shè)置在過濾片后面起分流作用的#1橫澆道,在最小截面之前封閉澆注系統(tǒng),保證鐵液充滿澆口杯,防止鐵液卷入外部氣體,同時鐵液中的熔渣有條件在過濾片上的集渣包內(nèi)上浮,與內(nèi)澆道直接連接的橫澆道不需要考慮擋渣功能。因此,在最小截面之后,澆注系統(tǒng)呈開放狀態(tài),減緩鐵液對鑄型的沖刷力(如圖3所示)。除澆口杯和直澆道由濕型粘土砂成型外,整個澆注系統(tǒng)均由砂芯形成。澆口比為ΣF直:ΣF橫1:ΣF橫2:ΣF內(nèi)=1.03:1:1.16:1.30,直澆道、#1橫澆道、#2橫澆道、內(nèi)澆道的截面積分別為10.05cm2、9.76cm2、11.22cm2、12.69cm2,澆注時間為13s。1.3砂芯排氣系統(tǒng)考慮到靜壓造型砂箱背面砂型硬度較高的特點,需要設(shè)計可靠的排氣系統(tǒng),而不是依靠砂型透氣性排氣。為此,每一個砂芯均需考慮設(shè)計排氣措施,且砂芯排氣與型腔排氣應(yīng)相對獨立,砂芯排氣必須設(shè)計嚴(yán)密的封火措施,否則鐵液會鉆入砂芯排氣通道,不僅會阻塞砂芯排氣通道,而且會導(dǎo)致砂芯內(nèi)部受熱產(chǎn)生更多的氣體。砂芯排氣系統(tǒng)如圖4所示。排氣系統(tǒng)設(shè)計的方案為:(1)水套芯芯頭設(shè)計排氣眼,產(chǎn)生的氣在排氣眼匯集,通過設(shè)置在外型芯頭座上的氣針排出;(2)缸筒芯通過芯頭抽芯棒孔(排氣通道)和儲氣室相通,通過儲氣室上設(shè)置的氣針排氣;(3)前后端芯產(chǎn)生的氣體通過芯頭與外型之間的間隙匯集到排氣通道,通過氣針排出;(4)油腔芯通過采用發(fā)氣量小的寶珠砂工藝減少發(fā)氣,不另設(shè)排氣系統(tǒng);(5)為保證砂芯排氣順暢,凡設(shè)計有排氣眼的芯頭座均設(shè)計了封火環(huán),不能設(shè)計封火環(huán)的則采用可靠性更高的耐高溫彈性墊片封火。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗,型腔排氣面積應(yīng)達(dá)到內(nèi)澆道總面積的1.5~1.8倍。該缸體進(jìn)、排氣側(cè)面搭子不多且直徑偏小,直接在外型搭子上設(shè)計安裝排氣針,這樣難以滿足排氣面積要求,同時又會造成搭子上的排氣針清理困難形成清理缺損,因此在設(shè)計型腔排氣系統(tǒng)時,考慮到較多的溢流冒口排氣,既增加型腔排氣面積,又將型腔內(nèi)的含異物較多的冷鐵液排出溢流冒口,型腔排氣系統(tǒng)如圖5所示。1.4芯生產(chǎn)1.4.1缸孔尺寸為保證鑄件的尺寸精度,主體芯通過二次射砂的鎖芯工藝,有效保證砂芯之間的組合精度。缸孔作為加工定位基準(zhǔn),#1、#4缸缸孔中心距尺寸公差要求達(dá)到±0.5mm,而缸孔壁厚公差要求達(dá)到±0.7mm。因此,在進(jìn)行制芯工藝設(shè)計時,將水套芯與枕頭芯先粘接組合在一起,在進(jìn)行鎖芯工藝時,將水套-枕頭組合芯與缸筒芯進(jìn)行整體組合鎖芯,枕頭芯和前后端芯采用砂銷定位,缸筒芯芯頭與枕頭芯芯座之間的設(shè)計配合間隙僅為0.1mm,這樣可有效保證缸孔的中心距和壁厚尺寸精度。1.4.2液壓自動冷芯機制芯缸筒芯和前后端芯采用三乙胺硬化冷芯工藝,一盒3異芯。枕頭芯、激冷模塊芯、水口芯采用全液壓自動冷芯機制芯,同樣為三乙胺硬化冷芯工藝,一盒3同芯。原砂中再生砂與新砂按7:3的比例混合,降低樹脂加入量。水套芯采用全液壓自動熱芯機制芯,覆膜砂砂芯,一盒10芯。進(jìn)氣側(cè)回油孔芯和排氣側(cè)回油孔芯采用全液壓自動熱芯機制芯,覆膜砂砂芯,一盒3同芯。1.5低合金化過程采用10t/h的一拖二中頻感應(yīng)電爐熔煉,為滿足技術(shù)要求,采取的措施為:(1)提高鐵液的CE,低C高Si,同時采用Cr、Cu、Sn進(jìn)行低合金化處理;(2)調(diào)整配料及控制原輔材料質(zhì)量,盡量減少鐵液中Ti、P等有害元素;(3)適當(dāng)提升鐵液中的w(S)量,保證鐵液含有適量的MnS;(4)適當(dāng)提高鐵液出爐溫度和澆注溫度,保證合金元素充分熔解,避免鑄件出現(xiàn)澆不足和冷隔缺陷;(5)采用Fe-Si-Sr合金進(jìn)行爐前孕育,澆注時采用Fe-Si-Sr合金進(jìn)行隨流孕育,保證材質(zhì)的均勻性和穩(wěn)定性。2生產(chǎn)和改進(jìn)措施在試生產(chǎn)過程中,鑄件缺陷除了氣孔、砂眼等常規(guī)缺陷外,鑄件還出現(xiàn)了油腔芯變形、缸孔夾雜等缸體不容易出現(xiàn)的問題。2.1油腔砂芯砂為復(fù)合砂芯由于砂芯單薄(厚度僅為7~8mm)且較長,澆注溫度高,澆注過程中酚醛樹脂覆膜砂砂芯在高溫鐵液作用下出現(xiàn)膨脹并在鐵液浮力作用下變形。輕微變形導(dǎo)致油腔壁厚不均勻,嚴(yán)重變形導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生壁通現(xiàn)象。為解決該問題,工藝上先后采取了殼芯砂制芯、砂芯中加芯骨、芯撐、適當(dāng)降低澆注溫度、在普通芯砂中添加抗高溫添加劑等方法,但該問題仍然沒有得到解決,分析認(rèn)為:(1)殼芯砂樹脂加入量比覆膜砂高,砂芯強度有所增高,但高溫強度并沒有增加,砂芯抗高溫性能沒有得到提高,還帶來發(fā)氣量增高的問題。由于原砂采用石英硅砂,高溫下硅砂膨脹無法消除。(2)由于油腔砂芯單薄,加芯骨不能避免砂芯高溫變形,同時芯骨制作難度大,操作復(fù)雜。(3)加芯撐受產(chǎn)品結(jié)構(gòu)約束,只能在特定部位增設(shè)芯撐,這樣就無法避免砂芯變形。(4)在澆注過程中,由β石英砂轉(zhuǎn)變?yōu)棣潦?體積急劇膨脹,產(chǎn)生較大的相變應(yīng)力,因此即使鐵液澆注溫度降到工藝要求下限(1430℃左右),砂芯同樣存在變形,而澆注溫度過低又會導(dǎo)致冷隔、氣孔等缺陷。(5)普通覆膜砂中添加抗高溫添加劑,砂芯抗高溫性有所改善,但提高幅度有限,砂芯膨脹同樣存在。因此石英砂相變膨脹是導(dǎo)致油腔芯變形的主要原因。經(jīng)與材料廠家分析討論,采用寶珠覆膜砂來解決該問題。寶珠砂是以優(yōu)質(zhì)鋁礬土為原料,經(jīng)過煅燒、電熔、造粒、篩分等工藝制造而成,與普通鑄造用硅砂相比,寶珠砂具有角形系數(shù)小、砂粒呈球形、表面光滑、結(jié)構(gòu)致密、流動性好、耐火度高等特點,尤其是該砂的熱膨脹系數(shù)小,性能可與鋯英砂相媲美。寶珠砂主要性能指標(biāo)如表1所示。最后,采用添加耐高溫添加劑的寶珠覆膜砂徹底解決了回油腔砂芯變形問題。2.2氣體排放的控制氣孔缺陷是試生產(chǎn)初期的主要問題,單項廢品率高達(dá)50%左右,由于氣孔缺陷主要出現(xiàn)在回油腔外壁上的發(fā)動機支承搭子上,因此判斷氣體主要來源于油腔砂芯,進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),油腔芯雖然設(shè)計了排氣眼,但實際上從該排氣眼引出的氣體只能通過芯頭與芯頭座的間隙鉆入外型的排氣針,從而將氣體排出,這樣會導(dǎo)致排氣不暢,而且澆注后期該排氣針會灌入鐵液,此后油腔砂芯發(fā)出的氣體沒有排放通道。此外,容易出現(xiàn)氣孔缺陷的4個發(fā)動機支承搭子都較高,且相對集中,搭子之間熱節(jié)較大,是最后凝固的部位,也是氣體容易聚集的部位。根據(jù)以上分析,采取的改進(jìn)措施為:(1)烘干孕育劑,提高澆注溫度,澆注溫度上限達(dá)到1450℃以上;(2)嚴(yán)格控制澆注速度,澆注時必須保證鐵液充滿澆口杯;(3)專門針對油腔芯設(shè)置排氣通道,且同步增加封火工藝措施,增加缸筒芯排氣眼深度,缸筒芯中間芯頭增加排氣通道,缸筒芯排氣眼和水套芯排氣通道密封涂料及鐵液;(4)改進(jìn)型腔排氣,取消回油腔外壁上4個發(fā)動機支承搭子上的排氣針,在靠近搭子的型腔外側(cè)增加溢流冒口和排氣針,將氣體引到溢流冒口內(nèi)(如圖6);(5)試用降低樹脂加入量的油腔芯芯砂,同時在保證熱芯盒砂芯強度的前提下,盡量提高制芯溫度,延長固化時間;(6)嚴(yán)格控制所有砂芯浸涂后的表干溫度和時間,對于庫存時間超過24h的三乙胺硬化冷芯砂芯在使用前必須進(jìn)行二次表干,確保砂芯及涂層水分≤0.3%。上述改進(jìn)措施逐步實施后,氣孔缺陷得到了有效控制,氣孔缺陷單項廢品率降低至0.8%左右。尤其是砂芯和型腔排氣系統(tǒng)的改進(jìn),對氣孔缺陷的控制起到了明顯的作用,同時擴寬了其它工藝的控制范圍。2.3鑄造型砂眼改進(jìn)措施分析認(rèn)為,砂眼缺陷產(chǎn)生的原因主要包括:(1)大量芯砂混入型砂,不僅使型砂變脆,還使型砂粒度變粗,型砂含泥量低,導(dǎo)致型砂保水性能較差;型砂平均細(xì)度僅為50~52目,而含泥量最高也只能達(dá)到10%左右。(2)進(jìn)氣側(cè)(下箱)存在高差較大的小圓角過渡交叉面,交叉處砂型緊實率難以提高。(3)為防止鑄件外觀粘砂,在外型噴涂醇基涂料,并點燃燒干,使型砂徹底喪失水分,失去強度。(4)砂芯披縫殘留沒有清除,澆注時被鐵液沖刷脫落。(5)外型扎氣眼裝置偏差,使排氣眼內(nèi)殘留有散砂,合箱時散砂落入型腔。針對砂眼缺陷,采取的改進(jìn)措施為:(1)將雙盤冷卻器除塵器抽出的除塵粉料作為混砂機的配料之一,回用補加到型砂中。(2)在型砂中補加70/140目的新砂,調(diào)整型砂粒度,使型砂平均細(xì)度提高到55~60目。(3)采用免燒型自干醇基涂料噴涂鑄型。(4)適當(dāng)提高KW造型主機壓實壓力,提高鑄型緊實度。(5)改造扎氣眼裝置,同時增加扎氣眼后的鑄型清吹工序,清除排氣眼內(nèi)散砂。(6)嚴(yán)格控制砂芯披縫清理,即使是進(jìn)口的自動化設(shè)備,也必須定期調(diào)整檢查清披縫裝置的有效性。通過采取上述措施后,鑄件夾砂問題得到了解決,夾砂廢品基本杜絕,分析認(rèn)為,免燒型自干涂料的使用對控制夾砂缺陷起到主要作用。2.4鐵液夾渣缺陷檢測缸孔夾雜缺陷是鑄件加工后,在缸孔內(nèi)表面出現(xiàn)的等效直徑約為0.3~3mm左右的孔眼缺陷,缺陷孔眼內(nèi)一般呈灰白色或暗黑色,有時能從孔內(nèi)取出灰黑色的物質(zhì),因此初步判斷該缺陷應(yīng)為夾雜類缺陷。分析認(rèn)為,夾雜類缺陷產(chǎn)生的原因為:(1)砂芯在修芯時未清除飛邊毛刺,或砂芯上粘附有松散的砂粒、砂團、涂料皮等雜質(zhì);(2)組合好的砂芯被粉塵砂粒污染,或型腔內(nèi)不慎掉入散砂未清理干凈;(3)鐵液不純凈,而澆道內(nèi)又無過濾措施或擋渣效果差,使鐵液中的夾渣進(jìn)入型腔。為判斷該雜質(zhì)的來源,對該缺陷進(jìn)行了掃描電鏡檢測,結(jié)果如圖7和表2所示。圖7中一共有4個檢測點,其中#1、#2、#3點為缺陷檢測點,#4點為本體檢測點。從表2可以看出,與#4點相比,#1、#2、#3點O元素和Si元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對較高,其中#3點還含有一定Al元素和Mn元素。據(jù)此可判斷該缺陷內(nèi)的物質(zhì)應(yīng)為一種氧化物,且都含有Si元素,但從鑄造原輔材料分析,鑄造用原砂、涂料、熔煉合金材料、孕育劑及鐵液中的熔渣都會含有一定數(shù)量的Si的氧化物。從#3檢測點含有一定數(shù)量的Mn元素來判斷,該缺陷夾雜來自于鐵液的可能性更大一些,但并不能肯定所有夾雜都來自鐵液。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),該類缺陷幾乎都出現(xiàn)在缸孔內(nèi)表面,而其它加工面則基本未出現(xiàn)。由于該缸體水套芯砂位較薄,為防止水套變形,在兩缸之間設(shè)置芯撐,芯撐內(nèi)置固定于砂芯,在水套芯上涂料時,芯撐也被涂料包覆,由于涂料與芯撐金屬表面粘附力較差,比較容易脫落而形成夾雜。因此,采取的措施為:(1)嚴(yán)格控制砂芯飛邊毛刺清理,清除砂芯表面散碎砂粒;(2)組合好的砂芯下到外型前,使用壓縮空氣吹凈砂芯表面;(3)在不影響澆注速度的前提下,將孔徑為10ppi的陶瓷過濾片改為15ppi;(4)嚴(yán)格控制澆包內(nèi)鐵液澆注前的除渣操作;(5)在水套芯浸涂料前,采用特殊材料包裹芯撐,砂芯表干后再拆除包裹材料,以保證芯撐表面無涂料粘附。采取以上措施后,鑄件缸孔內(nèi)夾雜缺陷得到了有效控制,目前缸孔夾雜類缺陷基本控制在1%以內(nèi)。3提高產(chǎn)品質(zhì)量柴油機發(fā)動機缸體鑄件是典型的薄壁高強度復(fù)雜鑄鐵件,鑄造精度要達(dá)到CT8以上,容易出現(xiàn)鑄造缺陷,而且必須滿足高速加工中心的加工要求。為此,采用以下工藝措施有效解決了生產(chǎn)中存在