汽車缸體缸冷芯盒鑄造工藝的研究

汽車缸體缸冷芯盒鑄造工藝的研究

1尾氣排放的燃料發(fā)動機將燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機器，以驅(qū)動汽車心臟。這是所有汽車動力的源泉。當(dāng)今世界總體趨勢是向著資源節(jié)約型、環(huán)境友好型和以人為本理念的和諧社會方向發(fā)展的,作為與人們的工作和生活關(guān)系愈來愈密切的交通工具汽車也同樣賦予了新的內(nèi)涵。發(fā)動機直接影響著汽車的油耗、排放和動力性能。發(fā)動機的技術(shù)開發(fā)和發(fā)動機產(chǎn)品的設(shè)計是兩個既相互聯(lián)系又不盡相同的研制過程,前者是一種前瞻性的開發(fā),具有很大的不確定性。而后者則是一種應(yīng)用性開發(fā),實用性更強。本文重點討論發(fā)動機關(guān)鍵性零部件缸體缸蓋產(chǎn)品冷芯盒成形工藝的設(shè)計與應(yīng)用技術(shù)。圖1所示為一標準配置的4D22E型直列四缸、二氣門中置凸輪、四沖程直噴燃燒室、干式缸套渦輪增壓和機油中冷式柴油發(fā)動機實物照片。其標定功率為65kW,標定轉(zhuǎn)速3200r/min。該機型油耗低,且尾氣排放中的NOX、CO、HC、PT含量均達到了歐Ⅲ標準,目前主要作為輕卡汽車市場的配套動力。直噴發(fā)動機可向缸內(nèi)直接噴射霧化燃料,便于在火花塞周邊產(chǎn)生狀態(tài)良好的混合氣體,從而提高點火性能,可在不引火的情況下延遲點火時間,使排放的氣體溫度急速上升,從而在發(fā)動機啟動后,催化劑溫度能夠盡快上升到使其活性化的水平。霧化燃料以最大11.5MPa的高壓向缸內(nèi)噴射時的汽化潛熱導(dǎo)致燃燒室的溫度下降(缸內(nèi)冷卻效果),從而提高了混合氣體的填充效率,提高了爆燃性,可在不損失低速扭矩的前提下實現(xiàn)高壓縮比,有效提高了發(fā)動機單體的燃油經(jīng)濟性。渦輪增壓大幅度降低了排氣系統(tǒng)的熱容量,提高了啟動時的暖機性能。柴油發(fā)動機直接排放的廢氣溫度高達350~400℃,在進氣系統(tǒng)中采用廢氣再循環(huán)系統(tǒng)后,吸進的新鮮空氣和熾熱的發(fā)動機廢氣交匯在一起,形成了另一種質(zhì)量的可燃氣體,它使得廢氣再循環(huán)利用率可以高達80%,從而可以有效地降低發(fā)動機的尾氣放量。如若進氣管是塑料制品,由于其熔點為200℃,必須采用廢氣冷卻器將發(fā)動機排出的廢氣溫度降低200℃左右,以使進入進氣管的氣流溫度不超過160℃。當(dāng)然為降低汽車尾氣中的有毒物質(zhì),我們還可以從源頭著手采用清潔的柴油,這樣可以使柴油發(fā)動機的空氣污染減少大約90%,使柴油燃料中的含硫量減少95%以上。同時也可同步對柴油機排放的廢氣進行后置處理,即通過氧化催化劑、微粒過濾器、NOX儲存催化劑以及添加一種尿素基液,使其達到尾氣排放要求的標準。機油中冷技術(shù)的采用是為將機油的工作溫度控制在105℃以下,這樣可確保機油的潤滑性能和有效的粘附性能,減少發(fā)動機零部件的磨損,增加零部件的冷卻效果。具體做法是在缸體的水套外壁增設(shè)一冷卻罩殼(見圖2),里面通以高壓高速流動的冷卻水,讓機油在此得以強制冷卻。幾種發(fā)動機燃料及主要替代燃料的物理化學(xué)性質(zhì)見表1。甲醇、乙醇作為替代燃料最符合我國資源特點,也是在未來根本解決我國機動車輛燃料的最有前景最現(xiàn)實的方案,應(yīng)該給以足夠的重視。發(fā)展醇類燃料以逐步替代石油燃料,對減少我國對國際進口尤其是從中東地區(qū)進口數(shù)量的依賴、平抑國際市場油價、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和保障我國能源安全具有難以估量的戰(zhàn)略意義。2醫(yī)療大應(yīng)變量對缸缸結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響,在保證缸柴油發(fā)動機采用直噴增壓中冷后,一方面使其具有油耗低,起動容易的優(yōu)點,降低了噪聲和排放的優(yōu)點;另一方面由于其燃燒室是直接設(shè)置在活塞頂部,燃燒室口部容易產(chǎn)生裂紋。裂紋處鐵素體含量過多,晶粒粗大,導(dǎo)致材料的力學(xué)性能嚴重下降。缸體缸蓋上裂紋正是在鐵素體密集處發(fā)生。同時由于柴油機的最高燃燒壓力提高,熱負荷增加,缸體缸蓋的應(yīng)力大小、應(yīng)力梯度、主應(yīng)力方向,甚至應(yīng)力分布都會發(fā)生變化。缸體缸蓋在柴油機工作中承受著機械和熱兩種負荷。熱負荷主要靠加強冷卻減少危害程度,機械負荷則主要靠合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計使最大主應(yīng)力控制在許用范圍。改進設(shè)計應(yīng)從協(xié)調(diào)整體剛度入手,分析在預(yù)緊和最高燃燒壓力下缸體缸蓋的變形規(guī)律、趨勢和高應(yīng)力區(qū)域分布,注重剛度匹配與變形協(xié)調(diào)。在具體設(shè)計上兼顧好熱的傳遞問題,以期最大限度地降低整體特別是失效區(qū)的應(yīng)力水平。為了滿足直噴增壓中冷柴油發(fā)動機對缸體缸蓋使用性能的要求,我們從產(chǎn)品的材質(zhì)控制和結(jié)構(gòu)設(shè)計兩方面著手開展工作,效果顯著。在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面,要根據(jù)鑄件產(chǎn)品的成形工藝特點,盡量避免內(nèi)腔壁相交處出現(xiàn)尖角,應(yīng)圓弧實體過渡。尖角的存在不僅減薄了此處截面的厚度,消弱了強度和剛度,同時易造成應(yīng)力集中,誘發(fā)出裂紋源,并沿槽發(fā)展。這些產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計中出現(xiàn)的尖角現(xiàn)象,主要是內(nèi)燃機設(shè)計人員僅僅在滿足產(chǎn)品使用功能的需要盡量減輕產(chǎn)品重量的前提下做出的,較少地考慮產(chǎn)品的成形工藝。為此要生產(chǎn)出合格的發(fā)動機產(chǎn)品,我們必須綜合顧及發(fā)動機零部件的使用功能和成形工藝兩方面的因素,不可一味地追求減輕重量指標,更要取得綜合平衡。對于4D22E型柴油發(fā)動機,我們在缸體上采用了干式缸套結(jié)構(gòu)(見圖2),這樣既增強了產(chǎn)品的整體剛性,又避免了缸套直接與冷卻水接觸,減輕了其熱疲勞破壞,延長了其使用壽命。我們在缸蓋上采用了鑲銅套結(jié)構(gòu)(見圖4),這樣既改變了缸蓋局部應(yīng)力大小、應(yīng)力梯度、主應(yīng)力方向和應(yīng)力分布,使其更趨合理,又由于取消了噴油器安裝孔的柱體,使得厚大部位熱節(jié)式縮孔、疏松現(xiàn)象得以消除。為了減輕熱負荷帶來的不良影響,我們在缸體冷卻水套與機油中冷器之間增設(shè)了變截面式冷卻水通道(見圖2),即沿第四缸到第一缸方向(安裝冷卻風(fēng)扇和高壓水泵一側(cè))實行漸變擴大式冷卻循環(huán)通道,效果顯著。在材質(zhì)控制方面,我們采用了牌號為HT250-GB/T9439-88的孕育鑄鐵,其硬度為170~241HBS,在缸體缸蓋結(jié)合面上距邊緣10mm處檢查,其抗拉強度≥250MPa。鑄件顯微組織為珠光體基體,基體含量≥90%。鑄件氣缸孔、主軸承孔、凸輪軸孔及所有螺栓孔不允許有任何缺陷。鑄件應(yīng)經(jīng)消除內(nèi)應(yīng)力處理,經(jīng)機加工后應(yīng)清洗干凈,然后壓入清砂悶頭,缸體缸蓋經(jīng)0.4MPa壓力的水壓試驗,歷時2min不得滲漏。潤滑油道須經(jīng)0.6MPa壓力的油壓試驗,歷時1min不得滲漏。鑄件允許有少量鐵素體和磷共晶石墨呈細小片狀均勻分布;非加工表面在距邊緣10mm范圍允許有單個氣孔,總數(shù)少于5個,直徑小于5mm,深度小于1.5mm,孔間距大于20mm;加工表面離邊緣及加工孔周圍10mm范圍外,允許有單個氣孔,總數(shù)少于5個,直徑小于3mm,深度小于1.5mm,孔間距大于30mm;加工表面允許有密集性孔眼2處,孔徑小于2mm,深度小于1mm,每10mm范圍內(nèi)不多于4個孔眼。3主體砂芯的生產(chǎn)冷芯盒制芯是指將樹脂砂填入不加熱的芯盒中,通過物理化學(xué)的變化,使型芯很快固化的制芯方法。樹脂中加入催化劑或在芯盒中通入特殊氣體,與粘結(jié)劑發(fā)生反應(yīng),由低分子線性轉(zhuǎn)化為高分子體型結(jié)構(gòu),將砂粘合起來,成為有一定強度的砂芯。砂芯粘結(jié)劑為液體苯酚樹脂和聚異氰酸脂,催化劑為三乙銨(C2H5)3N或SO2。冷芯盒法也可使用糠醇改性尿醛樹脂為粘結(jié)劑。對甲苯磺酸、硫酸乙脂或磷酸為固化劑的自硬樹脂砂,在快速混砂后立即射砂,并且一次射完,硬化迅速。缸體主體砂芯的結(jié)構(gòu)性分析及模具排版從圖5我們可以看到,主體砂芯主要由缸套芯、曲軸箱芯、凸輪軸芯、氣門挺桿芯、呼吸器芯、造型芯頭和澆注系統(tǒng)的橫澆道、內(nèi)澆道型腔構(gòu)成。這種砂芯的結(jié)構(gòu)設(shè)計保證了氣門挺桿芯與凸輪軸芯一體化成形,既提高了產(chǎn)品的相對位置精度,又避免了將氣門挺桿芯單獨分離出來制芯然后再與主體砂芯進行組裝工藝帶來的工序繁雜且質(zhì)量不穩(wěn)定的弊病。另外澆注系統(tǒng)采用砂芯內(nèi)置式自帶結(jié)構(gòu)有效地縮短了內(nèi)澆道的流程,對高溫金屬液具有保溫作用,提高了金屬液的流動性和補縮效果,從而增強了金屬液的填充能力。為了實現(xiàn)一次性射砂成形并實現(xiàn)順利脫模,我們需要在主體芯盒水平分型上下開合的基礎(chǔ)上增加兩個氣門挺桿芯抽芯滑塊。根據(jù)對主體砂芯三維幾何模型的體積分析可知,其體積約為8.160dm3,芯砂的密度取1.4kg/dm3,我們可以算出一個主體砂芯的質(zhì)量為12kg。從運動機構(gòu)的角度來分析,為了防止模具組合上的抽芯機構(gòu)互相干涉,該主體砂芯上下開合兩面抽芯的成型結(jié)構(gòu)可以在一副公共模板上安放兩組單體成型抽芯模具。從兩個單體砂芯總質(zhì)量與設(shè)備的一次性最大射砂量的角度來分析,8440型自動化冷芯盒射芯機一次性最大射砂量為40×1.4=56(kg),遠大于兩個單體砂芯總質(zhì)量12×2=24(kg)。這樣就可以按照冷芯盒射芯機上一副公共模板上安放兩組單體成型抽芯模具的結(jié)構(gòu)來組織生產(chǎn)(見圖6)。射砂板是用30mm厚的鋼板制做,其上端面的中心區(qū)域安裝有三個中心距為200mm的!30mm×300mm鑄鋁棒材,將樹脂砂分散均勻,以利于充型。噴射嘴均采用碗形塑料制品,以減輕接觸磨損。三乙銨吹氣板可用鑄鋁板材制作,既要運用整體式內(nèi)凹型腔聚氣輸送到模具背面通過通氣塞傳輸,也要設(shè)計通氣棒,在每個射砂口補充送氣。下模板的工裝支撐架可用鋼板焊接成形,在四個側(cè)面安裝透明玻璃以便于觀察內(nèi)部運動機構(gòu)的狀態(tài)。自動化冷芯盒射芯機制芯循環(huán)工步組成參照圖7所示冷芯盒射芯機,表2列出其制芯循環(huán)相關(guān)鏈節(jié)。從表2我們可以看到,缸體主體砂芯的整個冷芯盒射芯機制芯循環(huán)周期為139s。這里面的時間參數(shù)對同一種砂芯產(chǎn)品而言是相對穩(wěn)定的,只是樹脂砂的組分發(fā)生變化時才有較大的調(diào)整。正常生產(chǎn)時出現(xiàn)的主要質(zhì)量問題是砂芯的局部充填不足,這種現(xiàn)象往往與以下三個方面的因素有關(guān):①模具型腔內(nèi)的通氣塞安放位置和數(shù)量是否合理;②通氣塞是否清理通暢;③射砂嘴是否清理通暢。鑄造企業(yè)由于各自的發(fā)展歷史和市場定位有所不同,目前也有將缸體砂芯組合中的機油冷卻器砂芯、主體砂芯上的氣門挺桿砂芯分離出來,用熱芯盒法來生產(chǎn)。缸蓋的主體砂芯按照脫模工藝設(shè)計成兩個單片砂芯,然后采用熱芯盒法單獨射制成形并加熱固化。熱芯盒工藝是指將樹脂砂填入已加熱的芯盒模具中,在短時間內(nèi)硬化的制芯方法,在射芯機上用加熱到180~260℃的芯盒模具。芯盒模具由鋼或鑄鐵制成,帶有必要的排氣孔和頂出機構(gòu),可在爐內(nèi)加熱或在芯盒模具本身上帶恒溫元件,用電加熱也可用煤氣加熱。芯砂用呋喃樹脂為粘結(jié)劑,氯化銨和尿素的水溶液為固化劑,射入芯盒模具后數(shù)十秒鐘即可硬化。熱芯盒制成的砂芯,質(zhì)量好,尺寸精度高,干強度高,退讓性好,配合射芯機生產(chǎn),可用在復(fù)雜的砂芯上。如配備上送砂、制芯、加熱和出芯等機械化裝置,可用于成批和大量生產(chǎn)。這種方法的缺點是砂芯易吸潮,存放期不能長。由于樹脂中含有尿素,高溫下析出氮氣,鑄件易產(chǎn)生皮下氣孔。對于壁厚較大的砂芯,在芯盒內(nèi)硬化時間太長,生產(chǎn)率低,芯盒費用高昂。更經(jīng)濟的方法為冷芯盒法。由此來看,缸體產(chǎn)品組