汽车缸体缸冷芯盒铸造工艺的研究

汽车缸体缸冷芯盒铸造工艺的研究

1尾气排放的燃料发动机将燃料化学能转化为机器，以驱动汽车心脏。这是所有汽车动力的源泉。当今世界总体趋势是向着资源节约型、环境友好型和以人为本理念的和谐社会方向发展的,作为与人们的工作和生活关系愈来愈密切的交通工具汽车也同样赋予了新的内涵。发动机直接影响着汽车的油耗、排放和动力性能。发动机的技术开发和发动机产品的设计是两个既相互联系又不尽相同的研制过程,前者是一种前瞻性的开发,具有很大的不确定性。而后者则是一种应用性开发,实用性更强。本文重点讨论发动机关键性零部件缸体缸盖产品冷芯盒成形工艺的设计与应用技术。图1所示为一标准配置的4D22E型直列四缸、二气门中置凸轮、四冲程直喷燃烧室、干式缸套涡轮增压和机油中冷式柴油发动机实物照片。其标定功率为65kW,标定转速3200r/min。该机型油耗低,且尾气排放中的NOX、CO、HC、PT含量均达到了欧Ⅲ标准,目前主要作为轻卡汽车市场的配套动力。直喷发动机可向缸内直接喷射雾化燃料,便于在火花塞周边产生状态良好的混合气体,从而提高点火性能,可在不引火的情况下延迟点火时间,使排放的气体温度急速上升,从而在发动机启动后,催化剂温度能够尽快上升到使其活性化的水平。雾化燃料以最大11.5MPa的高压向缸内喷射时的汽化潜热导致燃烧室的温度下降(缸内冷却效果),从而提高了混合气体的填充效率,提高了爆燃性,可在不损失低速扭矩的前提下实现高压缩比,有效提高了发动机单体的燃油经济性。涡轮增压大幅度降低了排气系统的热容量,提高了启动时的暖机性能。柴油发动机直接排放的废气温度高达350~400℃,在进气系统中采用废气再循环系统后,吸进的新鲜空气和炽热的发动机废气交汇在一起,形成了另一种质量的可燃气体,它使得废气再循环利用率可以高达80%,从而可以有效地降低发动机的尾气放量。如若进气管是塑料制品,由于其熔点为200℃,必须采用废气冷却器将发动机排出的废气温度降低200℃左右,以使进入进气管的气流温度不超过160℃。当然为降低汽车尾气中的有毒物质,我们还可以从源头着手采用清洁的柴油,这样可以使柴油发动机的空气污染减少大约90%,使柴油燃料中的含硫量减少95%以上。同时也可同步对柴油机排放的废气进行后置处理,即通过氧化催化剂、微粒过滤器、NOX储存催化剂以及添加一种尿素基液,使其达到尾气排放要求的标准。机油中冷技术的采用是为将机油的工作温度控制在105℃以下,这样可确保机油的润滑性能和有效的粘附性能,减少发动机零部件的磨损,增加零部件的冷却效果。具体做法是在缸体的水套外壁增设一冷却罩壳(见图2),里面通以高压高速流动的冷却水,让机油在此得以强制冷却。几种发动机燃料及主要替代燃料的物理化学性质见表1。甲醇、乙醇作为替代燃料最符合我国资源特点,也是在未来根本解决我国机动车辆燃料的最有前景最现实的方案,应该给以足够的重视。发展醇类燃料以逐步替代石油燃料,对减少我国对国际进口尤其是从中东地区进口数量的依赖、平抑国际市场油价、实现可持续发展和保障我国能源安全具有难以估量的战略意义。2医疗大应变量对缸缸结构设计的影响,在保证缸柴油发动机采用直喷增压中冷后,一方面使其具有油耗低,起动容易的优点,降低了噪声和排放的优点;另一方面由于其燃烧室是直接设置在活塞顶部,燃烧室口部容易产生裂纹。裂纹处铁素体含量过多,晶粒粗大,导致材料的力学性能严重下降。缸体缸盖上裂纹正是在铁素体密集处发生。同时由于柴油机的最高燃烧压力提高,热负荷增加,缸体缸盖的应力大小、应力梯度、主应力方向,甚至应力分布都会发生变化。缸体缸盖在柴油机工作中承受着机械和热两种负荷。热负荷主要靠加强冷却减少危害程度,机械负荷则主要靠合理的结构设计使最大主应力控制在许用范围。改进设计应从协调整体刚度入手,分析在预紧和最高燃烧压力下缸体缸盖的变形规律、趋势和高应力区域分布,注重刚度匹配与变形协调。在具体设计上兼顾好热的传递问题,以期最大限度地降低整体特别是失效区的应力水平。为了满足直喷增压中冷柴油发动机对缸体缸盖使用性能的要求,我们从产品的材质控制和结构设计两方面着手开展工作,效果显著。在结构设计方面,要根据铸件产品的成形工艺特点,尽量避免内腔壁相交处出现尖角,应圆弧实体过渡。尖角的存在不仅减薄了此处截面的厚度,消弱了强度和刚度,同时易造成应力集中,诱发出裂纹源,并沿槽发展。这些产品结构设计中出现的尖角现象,主要是内燃机设计人员仅仅在满足产品使用功能的需要尽量减轻产品重量的前提下做出的,较少地考虑产品的成形工艺。为此要生产出合格的发动机产品,我们必须综合顾及发动机零部件的使用功能和成形工艺两方面的因素,不可一味地追求减轻重量指标,更要取得综合平衡。对于4D22E型柴油发动机,我们在缸体上采用了干式缸套结构(见图2),这样既增强了产品的整体刚性,又避免了缸套直接与冷却水接触,减轻了其热疲劳破坏,延长了其使用寿命。我们在缸盖上采用了镶铜套结构(见图4),这样既改变了缸盖局部应力大小、应力梯度、主应力方向和应力分布,使其更趋合理,又由于取消了喷油器安装孔的柱体,使得厚大部位热节式缩孔、疏松现象得以消除。为了减轻热负荷带来的不良影响,我们在缸体冷却水套与机油中冷器之间增设了变截面式冷却水通道(见图2),即沿第四缸到第一缸方向(安装冷却风扇和高压水泵一侧)实行渐变扩大式冷却循环通道,效果显著。在材质控制方面,我们采用了牌号为HT250-GB/T9439-88的孕育铸铁,其硬度为170~241HBS,在缸体缸盖结合面上距边缘10mm处检查,其抗拉强度≥250MPa。铸件显微组织为珠光体基体,基体含量≥90%。铸件气缸孔、主轴承孔、凸轮轴孔及所有螺栓孔不允许有任何缺陷。铸件应经消除内应力处理,经机加工后应清洗干净,然后压入清砂闷头,缸体缸盖经0.4MPa压力的水压试验,历时2min不得渗漏。润滑油道须经0.6MPa压力的油压试验,历时1min不得渗漏。铸件允许有少量铁素体和磷共晶石墨呈细小片状均匀分布;非加工表面在距边缘10mm范围允许有单个气孔,总数少于5个,直径小于5mm,深度小于1.5mm,孔间距大于20mm;加工表面离边缘及加工孔周围10mm范围外,允许有单个气孔,总数少于5个,直径小于3mm,深度小于1.5mm,孔间距大于30mm;加工表面允许有密集性孔眼2处,孔径小于2mm,深度小于1mm,每10mm范围内不多于4个孔眼。3主体砂芯的生产冷芯盒制芯是指将树脂砂填入不加热的芯盒中,通过物理化学的变化,使型芯很快固化的制芯方法。树脂中加入催化剂或在芯盒中通入特殊气体,与粘结剂发生反应,由低分子线性转化为高分子体型结构,将砂粘合起来,成为有一定强度的砂芯。砂芯粘结剂为液体苯酚树脂和聚异氰酸脂,催化剂为三乙铵(C2H5)3N或SO2。冷芯盒法也可使用糠醇改性尿醛树脂为粘结剂。对甲苯磺酸、硫酸乙脂或磷酸为固化剂的自硬树脂砂,在快速混砂后立即射砂,并且一次射完,硬化迅速。缸体主体砂芯的结构性分析及模具排版从图5我们可以看到,主体砂芯主要由缸套芯、曲轴箱芯、凸轮轴芯、气门挺杆芯、呼吸器芯、造型芯头和浇注系统的横浇道、内浇道型腔构成。这种砂芯的结构设计保证了气门挺杆芯与凸轮轴芯一体化成形,既提高了产品的相对位置精度,又避免了将气门挺杆芯单独分离出来制芯然后再与主体砂芯进行组装工艺带来的工序繁杂且质量不稳定的弊病。另外浇注系统采用砂芯内置式自带结构有效地缩短了内浇道的流程,对高温金属液具有保温作用,提高了金属液的流动性和补缩效果,从而增强了金属液的填充能力。为了实现一次性射砂成形并实现顺利脱模,我们需要在主体芯盒水平分型上下开合的基础上增加两个气门挺杆芯抽芯滑块。根据对主体砂芯三维几何模型的体积分析可知,其体积约为8.160dm3,芯砂的密度取1.4kg/dm3,我们可以算出一个主体砂芯的质量为12kg。从运动机构的角度来分析,为了防止模具组合上的抽芯机构互相干涉,该主体砂芯上下开合两面抽芯的成型结构可以在一副公共模板上安放两组单体成型抽芯模具。从两个单体砂芯总质量与设备的一次性最大射砂量的角度来分析,8440型自动化冷芯盒射芯机一次性最大射砂量为40×1.4=56(kg),远大于两个单体砂芯总质量12×2=24(kg)。这样就可以按照冷芯盒射芯机上一副公共模板上安放两组单体成型抽芯模具的结构来组织生产(见图6)。射砂板是用30mm厚的钢板制做,其上端面的中心区域安装有三个中心距为200mm的!30mm×300mm铸铝棒材,将树脂砂分散均匀,以利于充型。喷射嘴均采用碗形塑料制品,以减轻接触磨损。三乙铵吹气板可用铸铝板材制作,既要运用整体式内凹型腔聚气输送到模具背面通过通气塞传输,也要设计通气棒,在每个射砂口补充送气。下模板的工装支撑架可用钢板焊接成形,在四个侧面安装透明玻璃以便于观察内部运动机构的状态。自动化冷芯盒射芯机制芯循环工步组成参照图7所示冷芯盒射芯机,表2列出其制芯循环相关链节。从表2我们可以看到,缸体主体砂芯的整个冷芯盒射芯机制芯循环周期为139s。这里面的时间参数对同一种砂芯产品而言是相对稳定的,只是树脂砂的组分发生变化时才有较大的调整。正常生产时出现的主要质量问题是砂芯的局部充填不足,这种现象往往与以下三个方面的因素有关:①模具型腔内的通气塞安放位置和数量是否合理;②通气塞是否清理通畅;③射砂嘴是否清理通畅。铸造企业由于各自的发展历史和市场定位有所不同,目前也有将缸体砂芯组合中的机油冷却器砂芯、主体砂芯上的气门挺杆砂芯分离出来,用热芯盒法来生产。缸盖的主体砂芯按照脱模工艺设计成两个单片砂芯,然后采用热芯盒法单独射制成形并加热固化。热芯盒工艺是指将树脂砂填入已加热的芯盒模具中,在短时间内硬化的制芯方法,在射芯机上用加热到180~260℃的芯盒模具。芯盒模具由钢或铸铁制成,带有必要的排气孔和顶出机构,可在炉内加热或在芯盒模具本身上带恒温元件,用电加热也可用煤气加热。芯砂用呋喃树脂为粘结剂,氯化铵和尿素的水溶液为固化剂,射入芯盒模具后数十秒钟即可硬化。热芯盒制成的砂芯,质量好,尺寸精度高,干强度高,退让性好,配合射芯机生产,可用在复杂的砂芯上。如配备上送砂、制芯、加热和出芯等机械化装置,可用于成批和大量生产。这种方法的缺点是砂芯易吸潮,存放期不能长。由于树脂中含有尿素,高温下析出氮气,铸件易产生皮下气孔。对于壁厚较大的砂芯,在芯盒内硬化时间太长,生产率低,芯盒费用高昂。更经济的方法为冷芯盒法。由此来看,缸体产品组