V22缸體局部熱節(jié)的分析及解決措施
2015-04-29 00:00:00郭浩劉燦
【摘 要】汽車發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)于缸體周圍壁體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定有著嚴(yán)格的控制。在使用較為廣泛的V22缸體中，對(duì)于鑄造的上表面在熱源升高的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)裂縫，隨著溫度不斷升高，裂縫也相應(yīng)增大，在缸體周圍設(shè)置的散熱網(wǎng)片進(jìn)行架設(shè)使得排氣口溫度降低，利用冷鐵的處理工藝，在根據(jù)實(shí)際的操作模式下得出V22缸體利用冷鐵處理的方式將覆蓋面的熱量降低20%，同時(shí)在散熱系統(tǒng)的幫助下改良缸體的裂紋情況，最終達(dá)到缸體局部熱節(jié)的溫度控制和缸體自身的穩(wěn)定性。
【關(guān)鍵詞】V22缸體；局部熱節(jié)；冷鐵工藝
0.引言
汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展過(guò)程中，在對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的性能方面提出了更高的要求。在使用V22缸體后，可以大量的滿足發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的要求，同時(shí)這種四缸的干式發(fā)動(dòng)缸體可以保證車輛的動(dòng)力速度，因此對(duì)于V22缸體的需求量也逐年提高。對(duì)于V22缸體制造中，主要的化學(xué)成分包括碳、銅、硫、磷以及一些如鎘元素的稀有金屬材料，通過(guò)對(duì)于這些化學(xué)材料在不同的配合比例的條件下進(jìn)行鑄造，最終形成凈重62kg的缸體。在鑄造過(guò)程中，最為關(guān)鍵的工藝是鑄造的方式，通常情況下，V22缸體采用的是樹脂合成組裝的方式，在生產(chǎn)過(guò)程中，缸體始終控制在生產(chǎn)線的上方，利用的是上部澆筑的原理。
圖一 V22缸體結(jié)構(gòu)組成部分及結(jié)構(gòu)大、小熱節(jié)詳圖
在缸體的生產(chǎn)過(guò)程中，使用高溫冶煉技術(shù)，在冶煉爐使用之前，借助英國(guó)史密斯光譜分析儀器對(duì)熔爐進(jìn)行內(nèi)壁分析，在滿足要求后，進(jìn)行高溫冶煉。在配置化學(xué)材料中，包含有四分之一的生鐵、二分之一的鋼材、四分之一的高溫催化劑。在設(shè)計(jì)冶煉制作中，規(guī)定熔爐的溫度保證在1200-1350攝氏度（必須注意的是，在熔爐冶煉中需要加入少量的孕育劑以保證材料的抗氧化性）。在材料制造的初期，根據(jù)時(shí)間的控制來(lái)調(diào)節(jié)溫度，嚴(yán)格的按照生產(chǎn)工藝進(jìn)行。但是全程遵循設(shè)計(jì)規(guī)范，工藝上也按照流程進(jìn)行，在生產(chǎn)出的缸體中還是存在一定的缺陷，究其原因是在缸體的表面處出現(xiàn)了裂縫，導(dǎo)致缸體本身出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題。仔細(xì)分析故障，最終以冷鐵的鑄造的方式可以有效的控制這一缺陷。
1.V22缸體局部熱節(jié)的分析研究
在V22缸體中，最為關(guān)鍵的構(gòu)件是缸體頂部對(duì)稱的兩個(gè)熱節(jié)，由于設(shè)計(jì)的模數(shù)不同，熱節(jié)的作用也有所不同，使得在鑄造過(guò)程中冷凝的時(shí)間出現(xiàn)了相應(yīng)的差異。在缸體的內(nèi)壁中，由于稀有金屬元素的附著，使得在端口出的厚度發(fā)生改變，使得熱節(jié)處的溫度出現(xiàn)了異常，直接影響了冷凝的時(shí)間。在進(jìn)行了大量的缸體內(nèi)壁的改良實(shí)驗(yàn)后得出，在適當(dāng)?shù)奶岣吒左w模數(shù)后，可將原有的冷凝時(shí)間降低，當(dāng)模數(shù)為原來(lái)的2.5倍時(shí)，冷凝的時(shí)間縮短至5.63min，使得整體構(gòu)建形成完整產(chǎn)品，符合設(shè)計(jì)要求。對(duì)于該實(shí)驗(yàn)下的大、小熱節(jié)進(jìn)行分析后得出，在端口處不能進(jìn)行冶煉，必須保證生鐵的延展性，同時(shí)大熱節(jié)周邊的溫度要略高于小熱節(jié)附件溫度。設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，大熱節(jié)的模量和溫度根據(jù)熱節(jié)系統(tǒng)的表征進(jìn)行計(jì)算，而小熱節(jié)的計(jì)算不能單純只通過(guò)模量和溫度，還需要結(jié)合大熱節(jié)的相關(guān)參數(shù)，以此來(lái)獲得熱節(jié)生產(chǎn)的關(guān)鍵參數(shù)，保證生產(chǎn)工藝的正確。
V22缸體的熱節(jié)位于整體結(jié)構(gòu)的上部，從而形成了較為獨(dú)立的熱節(jié)系統(tǒng)，當(dāng)缸體內(nèi)部被化學(xué)試劑填充完成后，熱節(jié)出現(xiàn)較長(zhǎng)的凝結(jié)時(shí)間。當(dāng)熱節(jié)出現(xiàn)溫度降低直至冷卻時(shí)，缸體內(nèi)部的試劑提前出現(xiàn)了凝結(jié)，在沒有溫度控制以及催化劑的填補(bǔ)下，試劑會(huì)出現(xiàn)收縮，后期制成的材料也會(huì)出現(xiàn)較大的缺陷。在這樣的環(huán)境中，考慮使用排氣口的方式將上部的溫度迅速降低，利用冷鐵進(jìn)行上部端口的覆蓋，把原有的散熱面積進(jìn)一步的擴(kuò)大。按照此方法，熱節(jié)在冷鐵的作用下有效的控制了溫度的下降時(shí)間，保證了試劑不會(huì)出現(xiàn)收縮，但是出現(xiàn)了明顯的縮凸現(xiàn)象。當(dāng)控制冷鐵的接觸面積后，將原有的接觸面積降低21%后，保證了安全區(qū)域的情況下，在熱節(jié)處的縮凸情況發(fā)生了改良，使得產(chǎn)品缺陷率降低了30%。
當(dāng)大熱節(jié)出現(xiàn)凝結(jié)方面的問(wèn)題，小熱節(jié)也相應(yīng)出現(xiàn)問(wèn)題。在缸體內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，大小熱節(jié)相互連接，需要通過(guò)模數(shù)較大的材料進(jìn)行連接。在初期的設(shè)計(jì)方案中，小熱節(jié)上的冷鐵覆蓋的面積為35%，相比于安全的散熱面積還有一定的差距，使得在改良了大熱節(jié)的散熱問(wèn)題后，小熱節(jié)也會(huì)出現(xiàn)一定的縮凸。當(dāng)大熱節(jié)出現(xiàn)覆蓋程度小于安全散熱值時(shí)，小熱節(jié)還沒有達(dá)到縮凸的狀態(tài)，但是小熱節(jié)出現(xiàn)了缺陷，大熱節(jié)一定處于缺陷的狀態(tài)。歸其原因是在試劑凝結(jié)過(guò)程中，小熱節(jié)處于下方，受到的溫度改變較小，并且排氣裝置靠近小熱節(jié)，因此小熱節(jié)凝結(jié)的時(shí)間早于大熱節(jié)。研究并實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，利用鐵水可以徹底的改善大小熱節(jié)的縮凸情況的發(fā)生。
2.V22缸體局部熱節(jié)的處理方案
在結(jié)合上述的討論，對(duì)于V22缸體內(nèi)部要進(jìn)行重新的優(yōu)化設(shè)置。通過(guò)利用兩種方案的研究徹底解決大、小熱節(jié)在使用中出現(xiàn)的缺陷。第一種方法是使用鐵水降溫的方式，在結(jié)構(gòu)頂部安裝有75mm×60mm×30mm的冷鐵，使用該方式可以將原有的降溫接觸面積從18%提高至47%，散熱的程度大大提高（增加冷鐵的方式如圖二所示）。
圖二 冷鐵處理方式
方法二是在端口處增加冷鐵，將底部的冒口改變成30mm×20mm有角度為10°斜口，該方式可以徹底的解決大小熱節(jié)縮凸的問(wèn)題。另外，生產(chǎn)中為了防止冷鐵氣孔，保證冷鐵的激冷作用，必須進(jìn)行工藝規(guī)定：使用次數(shù)≤12次；工作面掛砂或刷涂料，烘干后使用；禁用銹蝕和被油污染的冷鐵；冷鐵材質(zhì)HT150～HT250。
在解決鑄造縮凸問(wèn)題時(shí)，一般從以下幾個(gè)方面入手：
（1）對(duì)于結(jié)構(gòu)體在設(shè)計(jì)中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行改變。如增加保壓壓力，增強(qiáng)補(bǔ)縮效果；降低澆注溫度，減小鋁液含氣量。如果金屬液在澆入時(shí)的溫度過(guò)高，或者金屬液過(guò)熱時(shí)問(wèn)太長(zhǎng)，氣體在金屬內(nèi)的溶解度和金屬氧化程度便會(huì)隨著溫度的升高而迅速增加，從而產(chǎn)生縮孔。
（2）增加補(bǔ)貼，均勻壁厚，保證澆口與熱節(jié)部分之問(wèn)的補(bǔ)縮通道的通暢。
（3）增加工藝孔或優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，通過(guò)消除局部厚壁處來(lái)消除熱節(jié)。點(diǎn)冷管直徑、長(zhǎng)度、壓縮空氣壓力、溫度和流量均保持不變，僅將點(diǎn)冷孔深入成型部分20mm?？紤]到型芯強(qiáng)度，點(diǎn)冷孔新增部分直徑4mm。
（4）局部冷卻。砂型鑄造可在熱節(jié)處增加外部冷鐵，金屬型鑄造可增加點(diǎn)冷（空冷或水冷），加快熱節(jié)部分冷卻速度，在補(bǔ)縮通道封閉前實(shí)現(xiàn)熱節(jié)區(qū)域完全凝固。結(jié)合下缸體鑄件的具體情況，可從調(diào)整工藝參數(shù)、增加預(yù)鑄孔和點(diǎn)冷三種方式入手制定整改方案。調(diào)整澆注工藝。澆注溫度由700攝氏度調(diào)整為670攝氏度，降低30攝氏度；保壓壓力由51KPa調(diào)整為43KPa，降低8KPa，其它參數(shù)不變。
3.結(jié)束語(yǔ)
V22缸體鑄件模數(shù)M=0.57cm，周界商Q=47580.23>3000，屬于薄壁稀疏體；而兩個(gè)熱節(jié)的模數(shù)分別是鑄件的2.3倍和1.44倍，周界商Q均<500，屬于均勻厚實(shí)體；數(shù)據(jù)表明，鑄件和熱節(jié)應(yīng)有不同的工藝措施。對(duì)熱節(jié)采用冷鐵方案時(shí)，冷鐵的覆蓋面積應(yīng)大于熱節(jié)散熱面積（與型砂接觸面積的）16.7%，V22缸體鑄件熱節(jié)處采用端口家冷鐵工藝，既有效解決了兩個(gè)熱節(jié)的表面縮凸缺陷，又防止了覆膜砂水套芯發(fā)氣多而產(chǎn)生的氣孔缺陷。使用的冷鐵材質(zhì)為HT150-HT250，使用次數(shù)≤12次，工作面掛砂或刷涂料且烘干后使用。 [科]
【參考文獻(xiàn)】
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