铝合金汽缸盖金属型重力浇注工艺的研究

铝合金汽缸盖金属型重力浇注工艺的研究

在燃烧过程中，燃烧汽油的气体温度立即达到18002000c，最大工作压力达到15mpa以上，受到高温气压的影响，并承担着巨大的负荷。因此,柴油轿车铝合金汽缸盖工作条件比汽油机缸盖更为恶劣,同时汽缸盖的性能要求也很苛刻。本文以我公司生产某新型柴油轿车铝合金汽缸盖为例,分析铸造工艺上的技术难点,提出铝合金汽缸盖的铸造工艺设计方案。1产品结构特点及铸造工艺的困难1.1壁厚的确定铝合金汽缸盖轮廓尺寸为:416mm×252mm×149mm,质量10kg,壁厚在3.5～4.0mm之间。从零件的结构工艺性分析,此铝合金汽缸盖属典型的薄壁复杂铸件,要求有较高的尺寸精度和较高的力学性能。1.2技术难点及特点汽缸盖材料为铸造铝合金,热处理状态为T6;其抗拉强度为≥260MPa,屈服强度≥220MPa,伸长率≥4%,硬度90～110HB。技术难点:(1)铸件的平均壁厚在3.5～4.0mm之间,是典型的薄壁复杂铸件;(2)气道、水道进行水检,在0.3MPa的气压下经3min无渗漏;(3)铸件不允许Ar焊接,不允许含浸;(4)铸件的伸长率4%,特定部位的金相组织中枝晶间距≤25μm。产品采用三维软件UG建模,如图1。2雕塑工艺设计2.1外模和金属型外模铸件的机械加工余量,下平面为2mm,其余加工面均为2.5mm。铸造公差等级按7级制造,未注铸造内圆角R3～R5,外圆角R1.0～R1.5,拔模斜度2°～7°,深度较深的部位斜度取小,较浅部位则取大,以利于铸件的脱模。金属型的外形模具铸造收缩率为0.7%,全部芯盒铸造收缩率为0.8%。金属型外形模具的拔模斜度以3°为基础,视部位作相应的变化;芯盒的拔模斜度1.5°。金属型外形模表面的喷涂涂料层厚度0.2mm;热芯盒分型负数0.2mm,冷芯盒分型负数0.1mm。金属型外模采用热作模具钢H13制造,导向轨耐磨件用40Cr制造,要求硬度45～48HRC,其余材料为QT600或45钢。模具安装在MJC12倾转重力浇铸机上使用,模具的设备接口严格按MJC12倾转重力浇铸机制造。2.2配合生产厂家制订铝锭,将工艺铝锭家用于产品的研发,并将于国内铝合金汽缸盖所用到的铝合金材料,严格按化学成分要求在专业铝锭生产厂家订做合金铝锭。熔炼过程要严格做好除气除渣,铝液温度炉内控制在(740±10)℃为宜,铝液的浇注温度(710±10)℃,底模温度250℃,侧模温度300℃。2.3砂芯强度控制采用冷热芯盒制芯技术。(1)整体式的缸盖水道砂芯,如图2。整个砂芯比较细小,砂芯截面薄,最小的部位有3.5mm左右,最薄的部位有3mm,增加了砂芯的生产难度,因此要求砂芯应具有很高的强度,以保持砂芯在存放、装运、组装及浇注过程中不变形不断裂。制芯设备采用8640B热芯盒。(2)进气道4连体砂芯和排气道单体砂芯,如图3所示。由一长一短的两个切向进气道组成,两个进气道互相独立,两进气道中间的间隙很小,仅有3.5mm,双气门的排气道形状复杂细长,采用8612B热芯盒制芯。(3)油池砂芯及冒口芯,如图4、图5所示。油池芯及冒口芯的形状较简单,且砂芯截面厚大,采用8440冷芯盒制芯。2.4采用蒸发器盖腔体的浇注位置,有利于定位分铝合金汽缸盖由外型水道腔、进排气道腔、油池芯腔等组成。水道腔、进排气道腔、油池芯腔都有通道经过汽缸盖的下平面与汽缸体的通道联成一体,这些汽缸盖腔体的通道在铸造时形成砂芯的芯头起到支撑定位的作用,因此采用汽缸盖的下平面朝下的浇注位置。原因是:(1)汽缸盖下平面朝下放置,符合铝合金的由下至上、由薄至厚的顺序凝固的原则;(2)汽缸盖下平面朝下也是汽缸盖与燃烧室工作面最先凝固,有利于汽缸盖的最重要的工作平面获得良好的力学性能、硬度及金相枝晶小间距;(3)砂芯的安放方便,组芯稳定,有利于对组芯质量的检查,提高成品率。2.5机械开模建立u2004采用倾转式浇注方式,如图6。图6(a)表示铝液先倒进模具上的浇注包。当倾转重力浇注机由0°逐渐往90°倾转时,铝液从浇包内经过限流板,平缓的流入模具腔体;如图6(b)所示。图6(c)为当重力浇注机转到90°时,整个浇入过程结束。浇注时间10～15s,按设定的凝固时间机械开模取件。采用倾转式浇注方式的优点在于:结合了底注方式及顶注方式的优点,铝液由底部向上充型,充型平稳,对型腔及砂芯冲击小,利于型腔的气体排出,铝液氧化少;铸件的顶部温度高,低部温度低,有利于实现顺序凝固和冒口补缩;并且此种浇注系统的结构简单,易充满型腔,可避免浇不足和冷隔等缺陷。3铝合金缸盖浇注方案(1)通对分析某柴油轿车铝合金汽缸盖的结构特点及其铸造工艺上的技术难点,设计了如下工艺:(1)采用汽缸盖的下平面朝下设置浇注位置,倾转方式金属型重力浇注方案,浇注温度(710±10)℃,底模温度250℃,侧模温度300℃,浇注时间为10～15s;(2)根据砂芯在汽缸盖中的位置、砂芯的形状结构及砂芯的复杂程度优选制芯方式,确定了水道芯、进排气道芯采用热芯盒制芯,油池芯及冒口芯采