發(fā)動(dòng)機(jī)缸體鑄件的工藝開發(fā)和驗(yàn)證

發(fā)動(dòng)機(jī)缸體鑄件的工藝開發(fā)和驗(yàn)證

該公司開發(fā)的高效車輛體積為7.14l，主要滿足中、重型卡車、大、中型客車及其他動(dòng)力機(jī)械。采用濕式箱形、直式、冷水和四沖程式的結(jié)構(gòu)。其中箱徑為108mm，最大爆發(fā)壓力為17.5ma，符合國家稅收關(guān)系標(biāo)準(zhǔn)。目前，生產(chǎn)能力為20萬公里，每年20萬輛。其核心關(guān)鍵零部件氣缸體鑄件采用大批量、自動(dòng)化、流水線生產(chǎn)方式,鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,表面有大量的凸臺(tái)與加強(qiáng)筋,主要壁厚僅為6mm,鑄件重224kg。造型采用KW靜壓造型線臥澆工藝生產(chǎn),砂芯全部采用冷芯盒制芯工藝,主體芯實(shí)現(xiàn)機(jī)器人整體浸涂工藝。經(jīng)過一年多的工藝優(yōu)化和質(zhì)量改進(jìn),鑄件內(nèi)廢廢品率由15%降低到3%左右。本文詳細(xì)介紹了該氣缸體工藝開發(fā)和驗(yàn)證過程中出現(xiàn)的各種鑄造缺陷,初步探討了其形成機(jī)理,并提出相應(yīng)的解決措施。1鑄造缺陷產(chǎn)生原因此新型發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體最初生產(chǎn)時(shí)內(nèi)廢廢品率高達(dá)15%,并且制芯生產(chǎn)效率低,每班次僅為100模,鑄件清理返工率高達(dá)50%。主要原因?yàn)殍T造過程中產(chǎn)生了大量鑄造缺陷,其中主要的鑄造缺陷有因鑄件表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致的粗清損傷與冒口帶肉缺陷、澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致的沖砂缺陷、挺桿芯制芯工藝不合理導(dǎo)致的粘砂缺陷、上箱氣眼針多造成的散落砂缺陷和砂芯質(zhì)量不合格造成的砂眼缺陷等。具體缺陷類別和缺陷比例如圖1所示,從圖1可以看出,機(jī)械手損傷、散落砂、粘砂、沖砂等缺陷為主要廢品特征,為此針對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)分別進(jìn)行了分析和解決。2創(chuàng)造錯(cuò)誤形成的原因和解決措施2.1缺陷之一損傷缺陷對(duì)于在大批量、自動(dòng)化、流水線鑄造生產(chǎn)條件下的氣缸體鑄件是最常見的缺陷之一。我公司氣缸體鑄件損傷缺陷主要包括兩種類型,一種為氣缸體鑄件表面的凸臺(tái)與加強(qiáng)筋在粗清時(shí)形成的損傷(規(guī)定此類損傷類型為粗清損傷),另一種為清理鑄件氣眼針時(shí)形成帶肉損傷(規(guī)定此類損傷類型為帶肉損傷)。2.1.1機(jī)械手損傷缺陷和處理對(duì)于鑄件表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜,且有大量的小凸臺(tái)和較高加強(qiáng)筋的鑄件,在用機(jī)械手進(jìn)行鑄件粗清和轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí),存在機(jī)械手損傷鑄件的隱患,極易造成粗清損傷缺陷。在前期生產(chǎn)一種新型氣缸體時(shí),因機(jī)械手造成的損傷缺陷比例高達(dá)3%以上。針對(duì)此缺陷經(jīng)過多次工藝改進(jìn)和工藝流程優(yōu)化,損傷缺陷比例現(xiàn)已經(jīng)降到0.5%左右。采取的措施如下。(1)針對(duì)易損傷的小凸臺(tái),根據(jù)鑄件后續(xù)加工裝配要求合理設(shè)置凸臺(tái)加強(qiáng)筋,增大凸臺(tái)的強(qiáng)度(圖2)。(2)規(guī)范機(jī)械手操作規(guī)范,制定機(jī)械手粗清操作目視化看板,明確具體的粗清操作步驟及其機(jī)械手夾取鑄件位置。通過制定此規(guī)定,大大降低了人為損傷缺陷,因此,制定機(jī)械手粗清操作流程及鑄件夾取位置是采用機(jī)械手的鑄造車間必須要做的工作,可以有效避免損傷缺陷的產(chǎn)生。2.1.2氣眼針的設(shè)置應(yīng)根據(jù)企業(yè)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)帶肉損傷缺陷是在清理鑄件澆冒口時(shí)帶走鑄件上的部分金屬造成的。設(shè)計(jì)的氣缸體右側(cè)面上共設(shè)計(jì)了16個(gè)小凸臺(tái),以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)裝配很多外圍復(fù)雜部件的要求,鑄造工藝設(shè)計(jì)時(shí),通常選擇此面為上平面,而且在這些小凸臺(tái)上再設(shè)計(jì)出氣針,便于氣體順利排出,防止凸臺(tái)部位產(chǎn)生氣孔缺陷。但是出氣針的設(shè)置為后續(xù)的清理帶來了很多困難,既降低了清理效率又增加了帶肉損傷缺陷。在生產(chǎn)初期,由帶肉損傷造成的鑄件焊補(bǔ)占總數(shù)的80%。通過更改氣眼針形狀,很好地解決了此類問題。氣眼針底座由僅僅倒一圓角改為設(shè)計(jì)出一臺(tái)階結(jié)構(gòu),并適當(dāng)減小氣眼針直徑尺寸,使氣眼針截面所占的凸臺(tái)面積降低到80%。氣眼針底座設(shè)計(jì)成臺(tái)階結(jié)構(gòu)會(huì)使氣眼針與鑄件本體不直接相連,斷裂時(shí)從臺(tái)階處斷裂,該措施使出氣針帶肉損傷得到了有效解決。2.2砂型對(duì)沖砂件的控制沖砂缺陷主要發(fā)生在鑄件的下表面兩個(gè)加強(qiáng)筋的結(jié)合部位,如圖3所示。沖砂缺陷對(duì)于缸體鑄件來說是非常嚴(yán)重的缺陷,因?yàn)闆_走的砂子會(huì)隨鑄件凝固導(dǎo)致砂眼缺陷,嚴(yán)重影響鑄件的本體強(qiáng)度,若沖到水腔壁上便造成漏水缺陷(圖3c)。此類缺陷經(jīng)過多次工藝改進(jìn),已得到明顯改善。主要改進(jìn)措施如下。(1)從造型角度考慮,采用KW公司生產(chǎn)的氣流預(yù)緊實(shí)高壓多觸頭造型機(jī),各造型參數(shù)相對(duì)來說比較穩(wěn)定,針對(duì)沖砂缺陷,適當(dāng)提高造型壓力與加砂量,最后通過硬度檢查來推算出砂型抵抗沖刷的硬度。(2)從砂處理角度考慮,生產(chǎn)該氣缸體時(shí)適當(dāng)降低型砂含水量,提高型砂流動(dòng)性。增加膨潤土的加入量,提高濕壓強(qiáng)度。經(jīng)過大量的生產(chǎn)試驗(yàn),一般含水量要求控制在2.8%~3.0%,濕壓強(qiáng)度在170~180KPa。(3)從鑄件結(jié)構(gòu)角度考慮,由于沖砂位置多為兩加強(qiáng)筋交匯處,增大加強(qiáng)筋與鑄件本體的過渡圓角,防止尖角存在造成砂型強(qiáng)度低。事實(shí)證明,增大過渡圓角很好地減輕了沖砂缺陷。(4)從澆注系統(tǒng)角度考慮,原來澆注系統(tǒng)如圖4所示,只在第1、2、4、6、7瓦口上各開兩個(gè)內(nèi)澆道。鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜且壁厚不均勻,因此澆注系統(tǒng)造成鐵液充型時(shí)出現(xiàn)紊流現(xiàn)象,并且內(nèi)澆道開口位置正好對(duì)應(yīng)下平面兩加強(qiáng)筋交匯處,而此交匯處也為砂型緊實(shí)度最低的部位,這就難免造成沖砂缺陷。另一方面,從圖4箭頭所指鐵液流向可以看出,第四瓦口處兩個(gè)直澆道都為其提供鐵液,澆注速度過快,沖刷下型最嚴(yán)重。從圖4中標(biāo)注到的第四瓦口對(duì)應(yīng)的下型位置,可以很明顯的看到嚴(yán)重的沖刷程度。因此更改澆注系統(tǒng),在下型增加2個(gè)內(nèi)澆道,在兩個(gè)直澆道上也就是對(duì)應(yīng)的第三與第五瓦口處各增加一道內(nèi)澆道。這樣很好地平衡了鐵液流動(dòng),減小紊流,最終減小鐵液的沖刷。經(jīng)生產(chǎn)驗(yàn)證,改進(jìn)后的澆注系統(tǒng)改善效果明顯。新澆注系統(tǒng)如圖5所示。2.3人工吹氣眼影響砂型的過程認(rèn)識(shí)關(guān)于鑄件表面散落砂的形成,前面已經(jīng)介紹過,該氣缸體表面有大量小凸臺(tái),為防止氣孔缺陷產(chǎn)生都設(shè)計(jì)了出氣眼加強(qiáng)排氣,出氣眼設(shè)計(jì)為敞開式,分兩部分形成,模板本身氣眼針形成一部分,然后再利用造型線上的鉆孔機(jī)鉆透剩余部分,下一道工序由人工吹凈出氣眼內(nèi)的殘留型砂。但鉆孔機(jī)有時(shí)存在隱患,即鉆頭坐標(biāo)設(shè)定值與實(shí)際鉆孔位置不符,造成模板形成的氣眼與鉆頭形成的氣眼連接不暢,搭接處易積聚大量散砂。實(shí)踐證明,此種情況即使經(jīng)過人工吹氣眼工序,仍殘留部分散砂,合箱后落入型腔,最終形成砂眼缺陷。經(jīng)過長期跟蹤發(fā)現(xiàn),當(dāng)造型線斷電后,鉆頭坐標(biāo)就會(huì)出現(xiàn)偏差,此時(shí)需根據(jù)實(shí)際進(jìn)行調(diào)整鉆頭坐標(biāo),保證尺寸的精確。通常直觀的判斷方法就是查看澆注后鑄件形成的“氣眼針”上下兩部分是否對(duì)齊連接,再隨時(shí)調(diào)整坐標(biāo)。關(guān)于鑄件局部表面“粗糙”缺陷,如圖6所示,在凸臺(tái)立面上出現(xiàn)粗糙的表面,粗糙情況與橘皮相類似,定義此類粗糙缺陷為橘皮現(xiàn)象,要注意的是人工吹氣眼時(shí)用的吹嘴長度、模板上氣眼針高度與鉆頭行程這三個(gè)尺寸的選擇,防止吹嘴中的高壓氣體破壞砂型表面,最后造成鑄件局部“粗糙”缺陷。該氣缸體前期生產(chǎn)時(shí)上平面凸臺(tái)總出現(xiàn)表面“粗糙”現(xiàn)象,開始認(rèn)為是上砂型硬度低,且此處為凸臺(tái)的立面易造成局部“粗糙”現(xiàn)象。經(jīng)過多次跟蹤,發(fā)現(xiàn)此問題的產(chǎn)生是由于吹嘴長度太長,并且與型腔距離太近,使得操作者在氣眼中稍微傾斜吹氣就會(huì)使高壓氣體破壞砂型形成“粗糙”缺陷。針對(duì)此現(xiàn)象,減小了鉆頭行程,使與型板形成的氣眼搭接長度盡可能小,并相應(yīng)地減小吹嘴管長度,最終避免了局部“粗糙”缺陷。如圖7所示,當(dāng)鉆頭行程與臍子氣眼針高度之間的搭接距離A小于30mm,吹管深入砂型中的長度與臍子高度之間的距離B大于40mm時(shí),對(duì)于防止高壓氣體破壞砂型有明顯效果。2.4制芯與浸涂工藝優(yōu)化,提高內(nèi)腔質(zhì)量提高清理效率粘砂缺陷對(duì)于采用砂型鑄造工藝的鑄件是必然出現(xiàn)的鑄造缺陷之一,粘砂缺陷直接影響清理效率,進(jìn)而直接影響鑄件的交貨期。對(duì)于大批量、流水線和自動(dòng)化的鑄造生產(chǎn)條件下,清理效率直接反應(yīng)生產(chǎn)水平與技術(shù)水平。我公司新開發(fā)的一種發(fā)動(dòng)機(jī)鑄件要求年產(chǎn)20萬臺(tái),因此清理效率必須高效,這樣就對(duì)影響清理效率的內(nèi)腔提出很高的要求,而該氣缸體內(nèi)腔挺桿芯挺桿孔部位直徑尺寸僅為20mm,開始生產(chǎn)時(shí)用石英砂制芯,由于澆注時(shí)該部位全部被鐵液包圍,易燒結(jié)粘砂,嚴(yán)重影響清理效率。針對(duì)此缺陷,更改了制芯工藝與浸涂工藝。(1)制芯由石英砂改為鉻礦砂和熟料砂雙組份工藝。鉻礦砂和熟料砂都具有較高的耐火度和良好的導(dǎo)熱性,發(fā)氣量低,尺寸穩(wěn)定性好。(2)浸涂工藝由挺桿芯與主體芯一次整體浸涂改為挺桿芯先浸涂一次并烘干再進(jìn)行組芯整體浸涂。第一次浸涂采用耐火度更好的專用涂料,然后再用一般涂料整體浸涂。挺桿芯采用兩遍涂料后粘砂缺陷得到了徹底解決。雖然制芯工藝與浸涂工藝更改后成本有所提高,但是大大提高了清理效率,并降低了廢品率。因此在大批量生產(chǎn)條件下,通過提高內(nèi)腔質(zhì)量來提高清理效率是必然的選擇。實(shí)踐證明,特殊砂芯采取高性能芯砂與二次浸涂是一種簡單、有效的工藝。2.5取芯機(jī)械在取芯時(shí)對(duì)砂芯進(jìn)行了調(diào)整經(jīng)過實(shí)踐表明,砂芯質(zhì)量直接影響鑄件質(zhì)量,特別是采用整體組芯工藝,砂芯分模面處的砂芯披縫,清理不凈易形成鑄件內(nèi)腔砂眼缺陷(圖8)。若制芯過程形成過多的砂芯披縫,在大批量生產(chǎn)下難免出現(xiàn)披縫清理不到位的情況。因此,砂芯披縫的清理,必須引起足夠的重視,并采取有效的工藝措施。通?，F(xiàn)代化工廠設(shè)計(jì)時(shí),制芯中心一般采用機(jī)器人自動(dòng)取芯,這就給制作專用的裝置自動(dòng)去除毛刺提供了有利條件,可以根據(jù)砂芯形狀制作一隨形框架,并裝上膠皮,這樣就可以利用機(jī)器人轉(zhuǎn)移砂芯,達(dá)到自動(dòng)去除毛刺的目的。也可以在取芯機(jī)械手上設(shè)計(jì)安裝去毛刺裝置,去除砂芯夾取位置處的披縫。比如氣缸體缸筒芯,為四開模結(jié)構(gòu),側(cè)模與下模處形成缸筒芯頭,此芯頭因側(cè)模與下模配合間隙易形成砂芯披縫。最早的思路是減小下模與側(cè)模配合間隙達(dá)到小于0.3mm來防止披縫的產(chǎn)生,為此制芯過程中必須要求及時(shí)清理干凈兩側(cè)模配合處的砂子,但是這一方法經(jīng)過實(shí)踐證明很難實(shí)現(xiàn)。后來我們改變思路,在機(jī)器人取芯夾