發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、凸輪軸缸體、凸輪軸鑄造工藝的發(fā)展

發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、凸輪軸缸體、凸輪軸鑄造工藝的發(fā)展

發(fā)動(dòng)機(jī)框架和鼓的鑄造是發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)中最困難和最重要的循環(huán)，其質(zhì)量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、油耗和其他性能起著決定性作用。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋鑄造生產(chǎn)中的材質(zhì),熔煉工藝,及鑄造工藝進(jìn)行討論,為提高我國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋的鑄造工藝水平積累一點(diǎn)有用的資料,為有關(guān)缸體、缸蓋鑄造生產(chǎn)廠在技術(shù)改造時(shí)提供一些有益的參考。1鑄造工藝水平目前汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)上不僅要求降低單位功率質(zhì)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的這些性能有著重要的影響。由此可見,發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋鑄件具有以下幾個(gè)特點(diǎn)。1輕而強(qiáng)度高當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)用材正由傳統(tǒng)的鑄鐵材料向輕型鋁鎂合金轉(zhuǎn)變,對(duì)缸體、缸蓋鑄件結(jié)構(gòu)的要求也不斷提高。2室外結(jié)構(gòu)的研究在缸體、缸蓋上,除有特殊形狀的配氣燃燒室外,有進(jìn)氣道、排氣道,還有冷卻水套、潤(rùn)滑油道等,內(nèi)腔形狀復(fù)雜多變,同時(shí)由于發(fā)動(dòng)機(jī)裝配的需要,其外形結(jié)構(gòu)也十分復(fù)雜。3形狀正確，尺寸準(zhǔn)確發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的大小與燃燒室及進(jìn)排氣道的形狀和大小關(guān)系大,鑄件超出設(shè)計(jì)狀態(tài)lmm,動(dòng)力性能將降低10%左右。2缸缸材料的控制縱觀國(guó)內(nèi)外發(fā)動(dòng)機(jī)鑄造生產(chǎn)廠家的各種不同種類的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋材質(zhì)的化學(xué)成分和技術(shù)要求,可以看出各種功率的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋材質(zhì)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(yīng)用較多),只有大馬力發(fā)動(dòng)機(jī)的缸蓋采用了蠕鐵或球鐵。在國(guó)外為了減輕發(fā)動(dòng)機(jī)總質(zhì)量,降低油耗,發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋材質(zhì)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(dòng)機(jī)的鋁合金缸蓋,部分廠家已開始將鋁合金應(yīng)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(diǎn),當(dāng)前仍占有較大的市場(chǎng),特別在大功率發(fā)動(dòng)機(jī)上還占有半壁江山。目前我國(guó)考慮到經(jīng)濟(jì)因素,缸體、缸蓋的材料仍然以灰鑄鐵為主。缸體、缸蓋形狀復(fù)雜,壁厚相差大(最小壁厚3mm,最大壁厚可達(dá)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(xué)性能。由此可見,其對(duì)鑄鐵成分的要求極為嚴(yán)格,在成分控制上,一般采用較高的碳當(dāng)量,以保證有良好的鑄造性能?；瘜W(xué)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(qiáng)度、金相組織中珠光體含量和抗熱疲勞能力。對(duì)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(zhǎng)度應(yīng)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(dāng)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(shí)會(huì)降低鑄件的力學(xué)性能。為使缸體、缸蓋具有良好的力學(xué)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(duì)于采用較高碳當(dāng)量鐵液的缸體和缸蓋鑄件,采用高Si/C并不能提高力學(xué)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(qiáng)度下降,其Si/C應(yīng)以0.6～0.7較為合適。2.3cr、cu、sn的含量對(duì)鑄件排水劑的性能影響發(fā)動(dòng)機(jī)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(jià)格昂貴,較少用,V提高灰鑄鐵抗拉強(qiáng)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(qiáng)烈促進(jìn)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(xì)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(dāng)Cr量大于0.35%時(shí),會(huì)使鑄件滲漏傾向明顯增加。含鉻量大于0.5%時(shí),鑄件中易出現(xiàn)初生碳化物,影響機(jī)加工性能。Cr加入量以0.25%～0.35%為宜。Cu可細(xì)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(guò)量可增大白口趨勢(shì)。Sn的用量在0.06%～0.09%范圍內(nèi)最好。3對(duì)體積的密封工藝3.1澆注溫度和競(jìng)爭(zhēng)溫度對(duì)鑄造鐵水溫度的影響在缸體、缸蓋的生產(chǎn)中,國(guó)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(guò)高,燒損很嚴(yán)重,一般控制出爐溫度在1500～1550℃最佳,BCIRA認(rèn)為,對(duì)大多數(shù)缸體、缸蓋來(lái)說(shuō),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(nèi)部易產(chǎn)生縮孔與縮松。澆注溫度太低時(shí),鑄件會(huì)產(chǎn)生氣孔等缺陷。在熔煉過(guò)程中,為了保證生產(chǎn)時(shí)能穩(wěn)定地獲得符合要求的鐵水溫度和化學(xué)成分,國(guó)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(shí)材質(zhì)成分的均勻性、穩(wěn)定性和熔煉的經(jīng)濟(jì)性,國(guó)內(nèi)許多工廠采用沖天爐-有芯工頻電爐進(jìn)行熔煉。一般在沖天爐基礎(chǔ)上配置了保溫電爐,這樣不僅可以大大節(jié)省成本,同時(shí)也為調(diào)整和監(jiān)測(cè)鐵水成分提供了便利。近年來(lái)由于先進(jìn)的熔煉裝備和爐前質(zhì)量檢測(cè)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(qiáng)度得到了更嚴(yán)格的控制。3.2不同的體系化育苗劑在產(chǎn)品和體對(duì)于缸體、缸蓋鑄造來(lái)說(shuō),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(xì)化共晶團(tuán),可獲得A型石墨,使石墨細(xì)化及分布均勻,改善基體組織,提高機(jī)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(xì)化共晶團(tuán)的結(jié)果常常導(dǎo)致縮松的增加,由于孕育劑中含有鋁,孕育量過(guò)高也會(huì)因鐵水中含鋁量增加而產(chǎn)生針孔缺陷。孕育會(huì)提高鐵水的成核程度,增加共晶團(tuán)的數(shù)目,導(dǎo)致凝固過(guò)程中作用在鑄型上的膨脹力增大,其結(jié)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(guó)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(guó)內(nèi)對(duì)孕育劑的加入量比較混亂,沒(méi)有一定的標(biāo)準(zhǔn)。盡管市場(chǎng)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(shí)孕育效果好,熔解性能好,且價(jià)格低廉,故國(guó)內(nèi)外大量使用。為了充分利用75SiFe瞬時(shí)孕育效果好的優(yōu)點(diǎn),國(guó)內(nèi)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(nèi)孕育等瞬時(shí)孕育方法。其中鐵液隨流孕育應(yīng)用最普遍,因其能較好地改善石墨形態(tài),促進(jìn)石墨均勻析出,以及提高鐵水的形核率。在某些場(chǎng)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(tuán)數(shù)目過(guò)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(yīng)用。4鑄鋁發(fā)酵技術(shù)鑄鋁,目前主要是用于輕型汽車、轎車及微型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋。在汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家中對(duì)鑄鋁在缸體、缸蓋上的應(yīng)用研究較多?？墒?鑄鋁氣缸體的應(yīng)用目前還遠(yuǎn)不及灰鑄鐵氣缸體多,在國(guó)內(nèi)更是這樣。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)砂型鑄鐵缸體、缸蓋在砂型屬典型的薄壁復(fù)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(yàn),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(fù)雜薄壁件的鑄造難度高,鑄件合格率低,國(guó)內(nèi)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(dòng)機(jī)缸體、缸蓋的砂型鑄造工藝為對(duì)象。4.1澆注方式的確定缸體、缸蓋是形狀復(fù)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(shè)計(jì)。注入型腔的金屬液應(yīng)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋的鑄造過(guò)程中,應(yīng)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(nèi)腔的主芯直接做成一個(gè)整體,其分型面為一平面,其它砂芯和外型根據(jù)其特點(diǎn)各有自己的分型面。對(duì)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(nèi)澆道進(jìn)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(bǔ)縮。2)頂注式。頂注式澆注系統(tǒng)對(duì)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?gòu)S家采用。3)中注式。其進(jìn)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(yīng)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(yīng)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(jī)器造型、組芯臥澆工藝,但它有以下缺點(diǎn)。1)容易使氣體、渣、浮砂等集中于上砂箱一側(cè),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(guò)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(jī)器造型才能發(fā)揮其臥澆優(yōu)勢(shì)等。缸體、缸蓋的組芯立澆工藝是目前生產(chǎn)工藝的補(bǔ)充,也是未來(lái)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(diǎn),它的最大優(yōu)點(diǎn)是可避免臥澆時(shí)的抬芯現(xiàn)象和缺陷集中于鑄件一側(cè),使浮渣、氣孔集中于鑄件頂部溢口和出氣孔,并且溢口可進(jìn)行補(bǔ)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(zhǎng)鑄件頂部尺寸,將有缺陷部分用機(jī)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(shè)計(jì)原則缸體鑄造件冒口設(shè)計(jì)的合理與否直接影響到鑄件的合格率、表面質(zhì)量及生產(chǎn)效率,因此冒口系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)十分重要。冒口形式多種多樣,但歸納起來(lái)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(shè)計(jì)應(yīng)注意以下幾個(gè)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(zhì)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(duì)獲得合格鑄件有著重要的意義。冒口應(yīng)盡量放在鑄件最后凝固的熱節(jié)點(diǎn)的上邊或旁邊,冒口位置還應(yīng)考慮放在鑄件最高最厚的地方,同時(shí)冒口的安放應(yīng)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(shù)的發(fā)展,保溫冒口的研究已成為冒口研究的熱點(diǎn),保溫冒口工藝符合順序凝固原則,有利于發(fā)揮冒口的補(bǔ)縮作用,提高冒口的補(bǔ)縮效率。保溫冒口的體積相對(duì)于傳統(tǒng)冒口來(lái)說(shuō),體積大大減小,對(duì)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(zhuǎn)軸道芯的設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋是采用砂芯最多的鑄件之一,砂芯選用是否恰當(dāng)及質(zhì)量的好壞,對(duì)汽缸體鑄件質(zhì)量起著至關(guān)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(jié)構(gòu)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(fù)雜,如水道芯、油道芯是典型的I級(jí)芯,細(xì)薄、易斷,且特別復(fù)雜,且芯盒活塊多。制芯工藝是汽缸體生產(chǎn)中進(jìn)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(duì)模具材質(zhì)的要求較低,又沒(méi)有反復(fù)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(dòng)條件好等優(yōu)勢(shì),因此冷芯工藝已逐漸取代熱芯工藝。殼芯近年來(lái)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(shè)備的發(fā)展也促進(jìn)了殼芯工藝在生產(chǎn)中的應(yīng)用。4.4清理復(fù)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(nèi)腔及外形極為復(fù)雜,因此在清理前應(yīng)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(nèi)腔芯砂的清除是一難點(diǎn)。對(duì)于內(nèi)腔復(fù)雜、斷面尺寸小,使用高強(qiáng)度覆膜砂芯的鑄件,采用傳統(tǒng)的震動(dòng)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(nèi)外表面的芯砂和粘砂,同時(shí)也可以達(dá)到強(qiáng)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(shí),采用砂帶磨能保證鑄件品質(zhì),提高鑄件表面質(zhì)量,而常用的風(fēng)銑清理易損傷鑄件本體,尤其是在清理復(fù)雜鑄件過(guò)程中更是如此。鑄件檢查是鑄件生產(chǎn)過(guò)程中的重要的環(huán)節(jié),擬定檢查項(xiàng)目,考慮適當(dāng)?shù)臋z查手段,留出檢查場(chǎng)地也是工藝設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。缸體、缸蓋鑄件的檢查,主要有以下幾個(gè)方面。1打開庭院在精整鑄件時(shí)修磨定位基準(zhǔn),并用專用檢具100%全檢。2檢查外觀目視全數(shù)檢查,內(nèi)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(jìn)行隨機(jī)抽查。6壓力和壓力泄漏試驗(yàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)加工線上全數(shù)檢查。71測(cè)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(jié)構(gòu)復(fù)雜,在實(shí)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(yán)重的缺陷,常出現(xiàn)在缸體內(nèi)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(dǎo)致報(bào)廢,可通過(guò)適當(dāng)提高澆注溫度、控制型砂含水量、發(fā)氣量以及透氣性來(lái)減小氣孔的產(chǎn)生。缸體缸蓋一般因粘砂而出現(xiàn)的報(bào)廢不多,但其表面的粘砂清理往往要消耗大量的時(shí)間和勞動(dòng),因此不得不對(duì)鑄件多次進(jìn)行熱處理,以提高鑄型的緊實(shí)率,使用細(xì)砂以及適當(dāng)降低金屬液的澆注溫度和澆注速度來(lái)預(yù)防粘砂的出現(xiàn)。砂眼能造成應(yīng)力集中,損壞鑄件表面,造成滲漏等而使鑄件報(bào)廢,在缸體上箱面底部和支撐點(diǎn)上易出現(xiàn)。它主要由砂型表面強(qiáng)度低,修型、合箱等操作不當(dāng)出現(xiàn)散砂造成的,可通過(guò)增加砂型中膨潤(rùn)土和水的含量,提高砂型表面強(qiáng)度這一措施來(lái)減少砂眼缺陷。5家庭保護(hù)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(dòng)機(jī)缸體、缸蓋生產(chǎn)中仍然占據(jù)著主要地位,但是其他材料