發(fā)動機缸體、凸輪軸缸體、凸輪軸鑄造工藝的發(fā)展

發(fā)動機缸體、凸輪軸缸體、凸輪軸鑄造工藝的發(fā)展

發(fā)動機框架和鼓的鑄造是發(fā)動機生產(chǎn)中最困難和最重要的循環(huán)，其質量對發(fā)動機的功率、油耗和其他性能起著決定性作用。通過對國內外發(fā)動機缸體、缸蓋鑄造生產(chǎn)中的材質,熔煉工藝,及鑄造工藝進行討論,為提高我國發(fā)動機缸體、缸蓋的鑄造工藝水平積累一點有用的資料,為有關缸體、缸蓋鑄造生產(chǎn)廠在技術改造時提供一些有益的參考。1鑄造工藝水平目前汽車發(fā)動機在設計上不僅要求降低單位功率質量,減小噪音,還要控制燃油消耗,減少尾氣排放,而缸體、缸蓋的鑄造工藝水平對發(fā)動機的這些性能有著重要的影響。由此可見,發(fā)動機缸體、缸蓋鑄件具有以下幾個特點。1輕而強度高當前發(fā)動機用材正由傳統(tǒng)的鑄鐵材料向輕型鋁鎂合金轉變,對缸體、缸蓋鑄件結構的要求也不斷提高。2室外結構的研究在缸體、缸蓋上,除有特殊形狀的配氣燃燒室外,有進氣道、排氣道,還有冷卻水套、潤滑油道等,內腔形狀復雜多變,同時由于發(fā)動機裝配的需要,其外形結構也十分復雜。3形狀正確，尺寸準確發(fā)動機輸出功率的大小與燃燒室及進排氣道的形狀和大小關系大,鑄件超出設計狀態(tài)lmm,動力性能將降低10%左右。2缸缸材料的控制縱觀國內外發(fā)動機鑄造生產(chǎn)廠家的各種不同種類的發(fā)動機缸體、缸蓋材質的化學成分和技術要求,可以看出各種功率的發(fā)動機缸體、缸蓋材質仍以低合金灰鑄鐵為主(添加元素為鉻、銅、鎳、錫等),鋁合金也占有一定的比率(主要是在小汽車中應用較多),只有大馬力發(fā)動機的缸蓋采用了蠕鐵或球鐵。在國外為了減輕發(fā)動機總質量,降低油耗,發(fā)動機缸蓋材質開始逐漸使用鋁鎂合金等輕型材料,特別是轎車生產(chǎn)大多數(shù)廠家已采用低壓鑄造或金屬型鑄造生產(chǎn)發(fā)動機的鋁合金缸蓋,部分廠家已開始將鋁合金應用在缸體的生產(chǎn)上?；诣T鐵作為傳統(tǒng)材料,依然由于其具有成本低,工藝性好,有良好的尺寸穩(wěn)定性和抗熱疲勞性能等優(yōu)點,當前仍占有較大的市場,特別在大功率發(fā)動機上還占有半壁江山。目前我國考慮到經(jīng)濟因素,缸體、缸蓋的材料仍然以灰鑄鐵為主。缸體、缸蓋形狀復雜,壁厚相差大(最小壁厚3mm,最大壁厚可達40mm),在工作中受到的熱沖擊和熱疲勞作用大,因而既要求具有良好的鑄造性能,又要求具有良好的力學性能。由此可見,其對鑄鐵成分的要求極為嚴格,在成分控制上,一般采用較高的碳當量,以保證有良好的鑄造性能?；瘜W成分控制中加入一些合金元素如Ni,Cr,Cu,V,Mo等(特別是缸蓋),以提高鑄件的本體強度、金相組織中珠光體含量和抗熱疲勞能力。對于石墨形態(tài)的控制,一般要求為A型,只允許少量B,D型石墨,石墨最大長度應在250μm以下,碳化物不大于1%,磷共晶不大于2%。2.1降低鑄造性能高的碳當量,可以增加石墨數(shù)量,提高灰鑄鐵的抗熱沖擊和耐熱疲勞性能,減小鐵液的收縮傾向,獲得較好的鑄造性能和切削性能,降低白口傾向,以及減少鑄件縮松、滲漏等缺陷,同時會降低鑄件的力學性能。為使缸體、缸蓋具有良好的力學性能與鑄造性能,以C為3.15%～3.3%,CE為3.95%～4.05%為宜。2.2高ce/c用量對于采用較高碳當量鐵液的缸體和缸蓋鑄件,采用高Si/C并不能提高力學性能,而且還可能由于高CE和高Si/C的雙重影響,使石墨粗大和珠光體量下降,從而使抗拉強度下降,其Si/C應以0.6～0.7較為合適。2.3cr、cu、sn的含量對鑄件排水劑的性能影響發(fā)動機缸體缸蓋加入的合金元素一般有Cr,Cu,Sn,Mo,Ni,V,其中Mo,Ni的價格昂貴,較少用,V提高灰鑄鐵抗拉強度能力大,但白口傾向也很大,所以缸體用灰鑄鐵一般也不加入V。Cr是一種強烈促進珠光體形成元素,加入一定量的合金元素鉻,可以起到增加和穩(wěn)定珠光體量,且細化珠光體的作用。除此以外,Cr可增加奧氏體中C的溶解度,阻止鐵素體的生成,但是當Cr量大于0.35%時,會使鑄件滲漏傾向明顯增加。含鉻量大于0.5%時,鑄件中易出現(xiàn)初生碳化物,影響機加工性能。Cr加入量以0.25%～0.35%為宜。Cu可細化珠光體和石墨片,還可抵消鉻元素的增大白口傾向的不利影響,一般選擇加入量在0.30%～0.50%。Sn可以適度改善缸體的珠光體片距,過量可增大白口趨勢。Sn的用量在0.06%～0.09%范圍內最好。3對體積的密封工藝3.1澆注溫度和競爭溫度對鑄造鐵水溫度的影響在缸體、缸蓋的生產(chǎn)中,國外十分重視熔煉溫度和澆注溫度的控制,熔煉溫度高,鐵液的純凈度高,但過高,燒損很嚴重,一般控制出爐溫度在1500～1550℃最佳,BCIRA認為,對大多數(shù)缸體、缸蓋來說,最適宜的澆注溫度為1390～1420℃。如果澆注溫度太高,則鐵水收縮增加,鑄件內部易產(chǎn)生縮孔與縮松。澆注溫度太低時,鑄件會產(chǎn)生氣孔等缺陷。在熔煉過程中,為了保證生產(chǎn)時能穩(wěn)定地獲得符合要求的鐵水溫度和化學成分,國外汽車鑄造廠普遍采用雙聯(lián)熔煉,熔化鑄鐵多數(shù)用沖天爐。沖天爐熔化的鐵水比電爐鐵水有較小的激冷傾向和收縮傾向,用沖天爐的鐵水生產(chǎn)缸體、缸蓋,更容易得到符合要求的金相組織,組織與性能均勻的鑄件。鐵水保溫爐普遍采用大型有芯槽式工頻爐。為保證在大批量生產(chǎn)缸體、缸蓋時材質成分的均勻性、穩(wěn)定性和熔煉的經(jīng)濟性,國內許多工廠采用沖天爐-有芯工頻電爐進行熔煉。一般在沖天爐基礎上配置了保溫電爐,這樣不僅可以大大節(jié)省成本,同時也為調整和監(jiān)測鐵水成分提供了便利。近年來由于先進的熔煉裝備和爐前質量檢測手段(熱分析儀及真空直讀光譜儀)的發(fā)展,使所生產(chǎn)的缸體、缸蓋鑄件的鐵液成分和生產(chǎn)的鑄件強度得到了更嚴格的控制。3.2不同的體系化育苗劑在產(chǎn)品和體對于缸體、缸蓋鑄造來說,孕育處理是十分重要的環(huán)節(jié)。孕育處理防止白口,改善加工性能,細化共晶團,可獲得A型石墨,使石墨細化及分布均勻,改善基體組織,提高機械性能,減小斷面敏感性的重要工藝措施。孕育也有副作用,細化共晶團的結果常常導致縮松的增加,由于孕育劑中含有鋁,孕育量過高也會因鐵水中含鋁量增加而產(chǎn)生針孔缺陷。孕育會提高鐵水的成核程度,增加共晶團的數(shù)目,導致凝固過程中作用在鑄型上的膨脹力增大,其結果可能使鑄件產(chǎn)生縮孔和縮松,因此在缸體、缸蓋生產(chǎn)中特別要注意控制孕育量,國外孕育劑加入量一般僅為0.2%～0.4%,BCIRA提出孕育總硅量比原鐵液增加0.1%合適,最高不能高于0.2%。而國內對孕育劑的加入量比較混亂,沒有一定的標準。盡管市場上提供了多種多樣的孕育劑,但普遍采用的仍然是75SiFe。由于75SiFe的瞬時孕育效果好,熔解性能好,且價格低廉,故國內外大量使用。為了充分利用75SiFe瞬時孕育效果好的優(yōu)點,國內外在缸體、缸蓋鑄件的大批量流水生產(chǎn)中大量采用鐵液隨流孕育、孕育絲孕育和型內孕育等瞬時孕育方法。其中鐵液隨流孕育應用最普遍,因其能較好地改善石墨形態(tài),促進石墨均勻析出,以及提高鐵水的形核率。在某些場合也使用含有鋇、稀土、鍶、鋯的硅鐵和C-Si孕育劑。由于含鍶孕育劑可防止白口,避免因共晶團數(shù)目過多增加而引起縮孔縮松,在缸體缸蓋中也逐漸得到較多的應用。4鑄鋁發(fā)酵技術鑄鋁,目前主要是用于輕型汽車、轎車及微型汽車發(fā)動機缸體、缸蓋。在汽車工業(yè)發(fā)達國家中對鑄鋁在缸體、缸蓋上的應用研究較多?？墒?鑄鋁氣缸體的應用目前還遠不及灰鑄鐵氣缸體多,在國內更是這樣。汽車發(fā)動機砂型鑄鐵缸體、缸蓋在砂型屬典型的薄壁復雜件,其砂芯多,尺寸精度高,鑄件的水道、油道需經(jīng)氣密性試驗,不得有滲漏現(xiàn)象,以及鑄件不得有夾渣、砂眼、氣孔裂紋類缺陷。氣缸體類復雜薄壁件的鑄造難度高,鑄件合格率低,國內一般水平在50%～60%,因此,文中在此仍然討論以鑄鐵汽車發(fā)動機缸體、缸蓋的砂型鑄造工藝為對象。4.1澆注方式的確定缸體、缸蓋是形狀復雜的薄壁件,且加工面很多,因此需要十分重視澆注系統(tǒng)的設計。注入型腔的金屬液應快速、均勻、平穩(wěn),不能帶有氣體、沙粒、渣子等雜物。首先是分型面的選擇,對發(fā)動機缸體、缸蓋的鑄造過程中,應用不同的鑄造方法,其砂型、砂芯的分型面有不同的選擇。在普通砂型鑄造中,為了保證缸筒間距和壁厚的均勻,一般將形成缸筒和曲軸箱內腔的主芯直接做成一個整體,其分型面為一平面,其它砂芯和外型根據(jù)其特點各有自己的分型面。對于缸體、缸蓋鑄件的澆注方式,目前主要采用臥澆工藝,根據(jù)其內澆道進水位置的不同,大致可以分為以下幾種形式。1)底注式。這種澆注系統(tǒng)形式是氣缸體澆注系統(tǒng)的傳統(tǒng)形式,易產(chǎn)生下高上低的溫度梯度且不利于澆冒系統(tǒng)的補縮。2)頂注式。頂注式澆注系統(tǒng)對克服一些常見的鑄造缺陷有利,但其表現(xiàn)出的金屬液充型平穩(wěn)性較差,極少廠家采用。3)中注式。其進水位置選在主軸承的上下適合位置,這種澆注方式只有少數(shù)工廠應用。4)階梯式。這種階梯式澆注系統(tǒng)具有良好的綜合工藝性,目前應用較廣。水平臥澆階梯式是很多生產(chǎn)廠家采用的工藝方法,這種方法適用于缸體水平分型、機器造型、組芯臥澆工藝,但它有以下缺點。1)容易使氣體、渣、浮砂等集中于上砂箱一側,若排氣不暢,溢流不充分,極易形成氣孔、渣孔、夾砂等缺陷。2)澆注過程中砂芯受到鐵水浮力作用,常有抬芯斷裂現(xiàn)象發(fā)生,特別是水套芯。3)必須使用砂箱,用機器造型才能發(fā)揮其臥澆優(yōu)勢等。缸體、缸蓋的組芯立澆工藝是目前生產(chǎn)工藝的補充,也是未來生產(chǎn)缸體、缸蓋鑄件的發(fā)展方向。立澆底注式可較好地克服水平臥澆階梯式的缺點,它的最大優(yōu)點是可避免臥澆時的抬芯現(xiàn)象和缺陷集中于鑄件一側,使浮渣、氣孔集中于鑄件頂部溢口和出氣孔,并且溢口可進行補縮、排氣。如這些措施仍不能將鑄件缺陷消除在鑄件頂部,則可加長鑄件頂部尺寸,將有缺陷部分用機加工切除,就能獲得渣孔、夾砂、氣孔少的鑄件。4.2冒口系統(tǒng)的設計原則缸體鑄造件冒口設計的合理與否直接影響到鑄件的合格率、表面質量及生產(chǎn)效率,因此冒口系統(tǒng)的優(yōu)化設計十分重要。冒口形式多種多樣,但歸納起來大致有以下幾種形式:飛邊冒口、壓邊冒、明頂冒口、縮頸冒口等。要使冒口獲得良好的綜合工藝性和效果,冒口系統(tǒng)的設計應注意以下幾個方案和原則。1)排氣效果好;2)適度的鐵水溢流量;3)有利提高鑄件表面質量;4)冒口清理方便。另外冒口在鑄件上位置的選擇也十分重要,對獲得合格鑄件有著重要的意義。冒口應盡量放在鑄件最后凝固的熱節(jié)點的上邊或旁邊,冒口位置還應考慮放在鑄件最高最厚的地方,同時冒口的安放應盡量不阻礙鑄件的收縮,且最好不放在加工面上。隨著鑄造技術的發(fā)展,保溫冒口的研究已成為冒口研究的熱點,保溫冒口工藝符合順序凝固原則,有利于發(fā)揮冒口的補縮作用,提高冒口的補縮效率。保溫冒口的體積相對于傳統(tǒng)冒口來說,體積大大減小,對降低生產(chǎn)成本提高鑄件合格率有著很重要的意義。4.3旋轉軸道芯的設置發(fā)動機缸體缸蓋是采用砂芯最多的鑄件之一,砂芯選用是否恰當及質量的好壞,對汽缸體鑄件質量起著至關重要的作用。缸體砂芯一般包括水套芯、曲軸箱芯、缸筒芯、頂面前后端面芯等,根據(jù)缸體結構不同,還可能有油道芯、水道芯等一些小的砂芯。缸蓋砂芯同樣多而復雜,如水道芯、油道芯是典型的I級芯,細薄、易斷,且特別復雜,且芯盒活塊多。制芯工藝是汽缸體生產(chǎn)中進步最快的工藝之一,目前各廠家主要采用的制芯工藝有冷芯工藝、殼芯工藝和熱芯工藝。由于冷芯工藝對模具材質的要求較低,又沒有反復加熱冷卻產(chǎn)生芯盒變形,所以芯盒尺寸精度能夠較好地維持,而且冷芯工藝具有耗能低,效率高,周期短,勞動條件好等優(yōu)勢,因此冷芯工藝已逐漸取代熱芯工藝。殼芯近年來的發(fā)展也比較快,現(xiàn)在普通覆膜砂的樹脂加入量已降到1.8%～2.0%,大大降低了砂芯發(fā)氣量和制芯成本,另外由于覆膜砂和制芯設備的發(fā)展也促進了殼芯工藝在生產(chǎn)中的應用。4.4清理復雜零件鑄件的清理是缸體、缸蓋生產(chǎn)中十分重要的環(huán)節(jié),由于缸體、缸蓋鑄件的內腔及外形極為復雜,因此在清理前應該制定周密的清理工藝。在缸體、缸蓋鑄件的后續(xù)清理工作中,鑄件內腔芯砂的清除是一難點。對于內腔復雜、斷面尺寸小,使用高強度覆膜砂芯的鑄件,采用傳統(tǒng)的震動出砂、水爆清砂等工藝很難將芯砂清除干凈,尤其在小截面處的砂子難以清除。為此,很多廠家采用了高溫出砂工藝,采用二次拋丸工藝清理內外表面的芯砂和粘砂,同時也可以達到強化鑄件表面的目的。另外,清理鑄件表面在芯頭位置和分型面處產(chǎn)生的披縫、毛刺時,采用砂帶磨能保證鑄件品質,提高鑄件表面質量,而常用的風銑清理易損傷鑄件本體,尤其是在清理復雜鑄件過程中更是如此。鑄件檢查是鑄件生產(chǎn)過程中的重要的環(huán)節(jié),擬定檢查項目,考慮適當?shù)臋z查手段,留出檢查場地也是工藝設計的重要內容。缸體、缸蓋鑄件的檢查,主要有以下幾個方面。1打開庭院在精整鑄件時修磨定位基準,并用專用檢具100%全檢。2檢查外觀目視全數(shù)檢查,內腔檢查采用窺視燈。3體檢全數(shù)瑩光探傷檢查曲軸箱部位有裂紋否。4清潔檢查按一定比例在線抽檢。5檢查硬度按一定比例進行隨機抽查。6壓力和壓力泄漏試驗在發(fā)動機加工線上全數(shù)檢查。71測定成分和金相組織一般采用抽樣檢查。4.5降低鑄件粘砂,提高鑄型的自足缸體、缸蓋由于其結構復雜,在實際生產(chǎn)中,容易出現(xiàn)氣孔、粘砂、砂眼等缺陷。氣孔是缸體缸蓋最嚴重的缺陷,常出現(xiàn)在缸體內腔壁、缸蓋頂部,減小有效承載面積,降低致密性,易產(chǎn)生滲漏,導致報廢,可通過適當提高澆注溫度、控制型砂含水量、發(fā)氣量以及透氣性來減小氣孔的產(chǎn)生。缸體缸蓋一般因粘砂而出現(xiàn)的報廢不多,但其表面的粘砂清理往往要消耗大量的時間和勞動,因此不得不對鑄件多次進行熱處理,以提高鑄型的緊實率,使用細砂以及適當降低金屬液的澆注溫度和澆注速度來預防粘砂的出現(xiàn)。砂眼能造成應力集中,損壞鑄件表面,造成滲漏等而使鑄件報廢,在缸體上箱面底部和支撐點上易出現(xiàn)。它主要由砂型表面強度低,修型、合箱等操作不當出現(xiàn)散砂造成的,可通過增加砂型中膨潤土和水的含量,提高砂型表面強度這一措施來減少砂眼缺陷。5家庭保護雕塑的發(fā)展5.1材料開發(fā)方向目前傳統(tǒng)的鑄鐵材料在發(fā)動機缸體、缸蓋生產(chǎn)中仍然占據(jù)著主要地位,但是其他材料