491干式缸套氣缸體氣孔缺陷的研究與降低

劉光清

（南充職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川南充 637100）

491干式缸套氣缸體氣孔缺陷的研究與降低

劉光清

（南充職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川南充 637100）

簡述了干式缸套氣缸體復(fù)雜薄壁類鑄鐵件砂型鑄造生產(chǎn)中，原采用一些傳統(tǒng)鑄造工藝方法存在較多氣孔缺陷、冷隔、澆不足等問題；闡述了加大芯頭結(jié)構(gòu)、合理應(yīng)用工藝補貼、優(yōu)化設(shè)計冒口系統(tǒng)、大孔進水技術(shù)、有效澆注時間等新工藝、新技術(shù)和新理論所優(yōu)化設(shè)計的鑄造工藝方案，使所生產(chǎn)的491干式缸套氣缸體氣孔、冷隔、澆不足缺陷得到了有效克服，獲得了良好的技術(shù)經(jīng)濟效果。

濕式缸套氣缸體； 鑄造；有效澆注時間；壓邊冒口

0 前言

眾所周知，氣孔是氣缸體類鑄鐵件潮膜砂型鑄造生產(chǎn)中最易出現(xiàn)的主要缺陷[1,2]，尤其是干式缸套氣缸體更為突出。氣缸體類復(fù)雜薄壁鑄鐵件氣孔缺陷產(chǎn)生原因錯綜復(fù)雜[3]，通常是極難控制的缺陷。故而研究和解決氣缸體類鑄件氣孔缺陷是相關(guān)鑄造工作者長期研究的對象，亦是鑄造工作者恒久研究的前沿課題之一。其相應(yīng)的研究在不斷地報道[4,5]。我們根據(jù)在491氣缸體鑄造生產(chǎn)實踐中所采取的有效工藝方法和措施，對克服氣孔缺陷的機理方面作了一些專題研究，供同行參考。

1 491氣缸體結(jié)構(gòu)特點及氣孔缺陷特點

491氣缸體干式缸套四缸氣缸體是目前國內(nèi)外通常所見的同類車用發(fā)動機(干式缸套) 氣缸體，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，鑄件主要壁厚δ＝4.5 mm、材質(zhì)為HT250、鑄件毛坯質(zhì)量G件＝60 kg。目前國內(nèi)外有較多工廠（公司）鑄造生產(chǎn)該類鑄鐵氣缸體，大多數(shù)沿用了一些傳統(tǒng)的工藝方法，鑄件合格率偏低。存在的主要問題為較多的氣孔、冷隔和澆不足類鑄造缺陷，這三類缺陷占了廢品因素的80%左右。

華北某汽車部件制造廠（以下簡稱H廠）生產(chǎn)的氣缸體鑄件氣孔缺陷主要分布于圖1所示的氣缸體油底殼的上法蘭上、和ф30 mm所示的4個出砂孔周圍及頂蓋面的上緣較高部位，其氣孔缺陷嚴重而眾多。后經(jīng)我們對其鑄造工藝進行了優(yōu)化和改進，較好地解決了氣孔、冷隔和澆不足類鑄造缺陷。

2 原傳統(tǒng)鑄造工藝方案易產(chǎn)生氣孔缺陷的因素

491氣缸體在H廠的鑄造生產(chǎn)條件主要為：潮膜粘土砂一箱一件氣沖造型、砂芯皆為熱覆膜砂熱芯盒制芯，電爐熔煉鐵液的生產(chǎn)條件。該氣缸體在H廠用圖1所示原鑄造工藝試生產(chǎn)的近二個月時間，共鑄造該氣缸體近千件。因大量產(chǎn)生氣孔、冷隔、澆不足等鑄造缺陷，其鑄件不足70%的合格率，分析圖1所示原傳統(tǒng)鑄造工藝方案在H廠易產(chǎn)生氣孔缺陷的主要因素存在著以下幾個方面。

圖1 491氣缸體原傳統(tǒng)鑄造工藝方案簡圖

2.1 原方案主體砂芯結(jié)構(gòu)存在的不足

圖1所示491氣缸體原傳統(tǒng)鑄造工藝方案，其主體砂芯（1#～4#曲軸箱芯和前后端面砂芯5#、6#）結(jié)構(gòu)（主要是指芯頭結(jié)構(gòu)，下同）的特點是油底殼端高度方向上的小芯頭結(jié)構(gòu)。

圖1所示曲軸箱芯油底殼端的小芯頭結(jié)構(gòu)，其芯頭是按照鑄件內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的輪廓“直出”而形成的芯頭結(jié)構(gòu)型式—我們通常稱之為小芯頭結(jié)構(gòu)，這也是目前國內(nèi)眾多氣缸體類鑄造廠到目前為止仍然廣泛采用的芯頭結(jié)構(gòu)型式。這種小芯頭結(jié)構(gòu)型式因其砂芯（芯頭）與型腔（芯頭座）的結(jié)合面未處于鑄件外輪廓的最高界面，從而未能有效發(fā)揮好這一“自然”界面排氣的最佳效用；另一方面，也使得氣缸體鑄件的油底殼面只能設(shè)置圖1所示的排氣、“溢流”效果均較差的“飛邊冒口”—立式飛邊冒口（油底殼面），或平式飛邊冒口（頂蓋面）。從而使得相應(yīng)鑄件易產(chǎn)生氣孔類鑄造缺陷，并主要出現(xiàn)在其油底殼法蘭面上。

2.2 原方案澆注系統(tǒng)存在的不足

圖1所示491氣缸體原傳統(tǒng)鑄造工藝方案，其澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點是：以底注式為主的階梯式進液系統(tǒng)，采用一些傳統(tǒng)理論（如水力學(xué)公式）確定的澆注系統(tǒng)最小截面積偏小[8、9]，內(nèi)澆道總截面積遠大于澆注系統(tǒng)的最小截面積（其最小截面積—通常在過濾截面處）。

圖1所示鑄造工藝方案的進液方式，其結(jié)構(gòu)名義上是階梯式，實則是底注式，因其5個軸座上的中部內(nèi)澆道、通常只占30%～40%的比例。這種底注式為主的進液方式對于氣缸體類復(fù)雜鑄鐵件來說，使其型腔內(nèi)溫度梯度呈上低下高的不良分布狀態(tài)、其鐵液中的氣體等很難順利溢出，這也是氣缸體類復(fù)雜鑄鐵件在很多相關(guān)鑄造廠鑄造生產(chǎn)易產(chǎn)生較多氣孔缺陷的主要原因，而對于其鐵液熔煉為沖天爐生產(chǎn)條件的狀態(tài)則更是尤其敏感和嚴重。

圖1所示491氣缸體鑄造工藝方案的澆注系統(tǒng)最小截面積偏小。其澆注系統(tǒng)最小截面積的確定通常采用傳統(tǒng)的“水力學(xué)公式”或其它一些經(jīng)驗公式來指導(dǎo)其澆注系統(tǒng)的設(shè)計，如該鑄件毛坯質(zhì)量為60 kg的氣缸體的直澆道最小截面積僅為9.62 cm2(即φ35 mm)，其澆注系統(tǒng)最小截面積(其過濾斷面積)僅為5.29 cm2左右，從而致使鑄件的澆注時間過長，從而易使鑄件產(chǎn)生氣孔、冷隔、澆不足類鑄造缺陷。

圖1所示491氣缸體鑄造工藝方案的進液方式，其10個內(nèi)澆道總截面積（∑F內(nèi)大致為11.56 cm2左右，是過濾斷面積的兩倍多）遠大于澆注系統(tǒng)的最小截面積，則致使鐵液“混亂”進入鑄件型腔、鐵液很難按照工藝設(shè)計者的意圖“均衡”進液（鐵液實際上以中部進液為主）。其通常是底部內(nèi)澆道是主要進液部位，而鑄件兩端的進液量少，致使鑄件型腔中鐵液在水平方向的溫度場很不均衡。從而使得鑄件的兩端易產(chǎn)生氣孔、冷隔、澆不足類鑄造缺陷。

2.3 原方案冒口系統(tǒng)存在的不足

圖1所示491氣缸體原傳統(tǒng)鑄造工藝方案，其冒口系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點是：氣缸體鑄件的油底殼面采用傳統(tǒng)的立式飛邊冒口，和頂蓋面采用傳統(tǒng)的平式飛邊冒口，且冒口的總?cè)莘e量亦均偏小。這種冒口型式不夠合理，主要表現(xiàn)在因鐵液溢至“飛邊縫隙”會使其縫隙逐漸減小，即“飛邊縫隙”冒口型式的溢氣、溢渣及其補縮效果均較差。不利于鑄件克服氣孔、渣孔、砂眼類鑄造缺陷。

該方案、冒口的總?cè)莘e量過小，另一方面，其對型腔中的首流鐵液—“冷鐵液”的溢流量不夠，對于氣缸體類復(fù)雜薄壁鑄鐵件便易產(chǎn)生氣孔、砂眼、夾渣類鑄造缺陷。這尤其對于進液方式以底注式為主的澆注系統(tǒng)的氣缸體鑄件來說則更為明顯和嚴重。

2.4 原方案澆注工藝存在的不足

圖1所示491氣缸體原傳統(tǒng)鑄造工藝方案，因其通常是采用傳統(tǒng)的澆注時間理念、澆注系統(tǒng)最小截面積的傳統(tǒng)設(shè)計理論作為設(shè)計的指導(dǎo)思想。其澆注工藝的特點相應(yīng)則是澆注時間偏長、鐵液的澆注溫度偏高。對于氣缸體類復(fù)雜薄壁鑄鐵件砂型鑄造來說，偏長的澆注時間和偏高的澆注溫度則都是其不良狀態(tài)。

在H廠用圖1所示原傳統(tǒng)鑄造工藝方案，鑄造生產(chǎn)該491氣缸體的澆注時間通常在23～27 s、其澆注溫度為1 400 ℃～1 430oC；而對于氣缸體類復(fù)雜薄壁鑄鐵件砂型鑄造來說，過長的澆注時間和過高澆注溫度都是易氣孔缺陷的主要原因之一[3,10]。

3 新鑄造工藝方案的特點

根據(jù)以上分析，我們主要針對砂芯結(jié)構(gòu)及其澆冒系統(tǒng)進行了優(yōu)化，應(yīng)用加大芯頭技術(shù)[11]、鑄件優(yōu)先設(shè)置壓邊冒口[12]和提高砂箱面積利用率的新理念[13], 以及應(yīng)用鑄件有效澆注時間新理念[14]、鑄件澆注系統(tǒng)最小截面積新型計算公式[15]，設(shè)計出了圖2所示的491氣缸體新鑄造工藝方案。經(jīng)生產(chǎn)實踐證明、較好地解決了圖1所示原傳統(tǒng)鑄造工藝方案鑄造生產(chǎn)所產(chǎn)生的氣孔、冷隔、澆不足類鑄造缺陷。具體分析圖2所示的新鑄造工藝方案，能有效地克服氣孔類缺陷的主要技術(shù)要點如下。

圖2 491氣缸體新鑄造工藝方案簡圖

3.1 新工藝方案主體砂芯結(jié)構(gòu)的特點

圖2所示的新491氣缸體鑄造工藝方案主體芯的結(jié)構(gòu)特點，主要表現(xiàn)在其油底殼端高度方向上的大芯頭結(jié)構(gòu)（上箱芯頭）。

圖2所示的491氣缸體新鑄造工藝主體砂芯結(jié)構(gòu)方案，其4個曲軸箱芯（1#～4#）和前后端面砂芯（5#、6#）的油底殼端高度方向上的大芯頭結(jié)構(gòu)，主要是將上箱的芯頭抬高至油底殼法蘭主要外輪廓的最高界面。其砂芯（芯頭）與型腔（芯頭座）的結(jié)合面處于鑄件的最高外輪廓界面，既有利于有效發(fā)揮好這一“自然”界面排氣的最佳狀態(tài)和作用；另一方面，也使得氣缸體鑄件的油底殼面能設(shè)置圖2所示的排氣、“溢流”效果均最好的“壓邊冒口”，從而有利于鐵液中氣體、熔渣、散砂等的溢出，相應(yīng)地為鑄件克服氣孔、夾渣、砂眼等鑄造缺陷提供了最為重要的工藝結(jié)構(gòu)條件。

3.2 新工藝方案澆注系統(tǒng)的特點

圖2所示的新鑄造工藝澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。其一，5個軸座上的中注式進液的內(nèi)澆道結(jié)構(gòu)及橫澆道在型腔中的位置均得以大幅度提高；其二，澆注系統(tǒng)最小截面積適宜大（增大65%）；其三，內(nèi)澆道總截面積等于澆注系統(tǒng)的最小截面積。

3.2.1 上注式進液方式

圖2所示的新鑄造工藝方案澆注系統(tǒng)的5個軸座上的10個內(nèi)澆道結(jié)構(gòu)的上注式進液方式（上層5個內(nèi)澆道為主進液，占62%），大幅度地提高了鑄件的進液位置，其進液位置平均處于鑄件的上部，進入型腔的鐵液基本上實現(xiàn)了上高、下低溫度梯度的良性分布狀態(tài)，極有利于鐵液中氣體、熔渣、散砂等的溢出，相應(yīng)地為鑄件克服氣孔、夾渣、砂眼等鑄造缺陷提供了最為重要的工藝條件。

3.2.2 大孔進液澆注系統(tǒng)最小截面積的合理確定

圖2所示的新澆注系統(tǒng)方案大孔進液的澆注系統(tǒng)最小截面積，應(yīng)用鑄件有效澆注時間新理念[14]、鑄件澆注系統(tǒng)最小截面積新計算公式[16],來指導(dǎo)其澆注系統(tǒng)的相應(yīng)參數(shù)及其結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計，其主要表現(xiàn)在以下兩個公式的應(yīng)用。

鑄件有效澆注時間。指的是金屬液開始進入型腔至充滿鑄件最高輪廓為止的時間，（而金屬液完成有效澆注時間后至充滿整個型腔的過程所用的時間則稱為吊補澆注時間）[14]。該氣缸體的有效澆注時間t按資料[14]介紹的以下的公式（1）確定如下：

將491氣缸體鑄件的相應(yīng)特征參數(shù)，鑄件毛坯質(zhì)量（G件）60 kg,鑄件壁厚（δ）4.5 mm，代入式（1），計算而得該鑄件的有效澆注時間（t）為12 s。

我們在491氣缸體的鑄造工藝設(shè)計中，采用了大孔進液技術(shù)的公式（2）計算鑄件的澆注系統(tǒng)最小截面積∑F阻。

將491氣缸體鑄件的相應(yīng)特征參數(shù)G件和δ代入式（2），計算該鑄件一箱一件（濕型粘土砂外型）鑄造生產(chǎn)條件下的澆注系統(tǒng)最小截面積∑F阻值為11.24 ㎝2。

3.2.3 內(nèi)澆道總截面積∑F內(nèi)

圖2所示491氣缸體新澆注系統(tǒng)內(nèi)澆道總截面積∑F內(nèi)亦為澆注系統(tǒng)最小截面積∑F阻，∑F內(nèi)等于或略小于∑F濾，且每個軸座上的“進液狀態(tài)”是基本相同的，故其能使鐵液“規(guī)范”地進入鑄件型腔，鐵液能按照工藝設(shè)計者的意圖從每個軸座上的內(nèi)澆道“均衡”進液，能很好地使鑄件型腔中鐵液在水平方向的溫度場分布均衡。從而有利于鑄件克服氣孔類、收縮類等鑄造缺陷。

3.3 新工藝方案冒口系統(tǒng)的特點

圖2所示491氣缸體新鑄造工藝方案，其冒口系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點是：氣缸體鑄件的油底殼面采用的是2個適宜大的壓邊冒口，氣缸體鑄件的頂蓋面亦采用的是4個適宜大的壓邊冒口，冒口的總?cè)莘e量亦適宜大，及明冒口的最小排氣面積適宜大（∑F排≥1.3～1.8∑F阻）[16]。

圖2所示冒口系統(tǒng)方案的結(jié)構(gòu)型式，氣缸體鑄件的油底殼面和頂蓋面均采用適宜大的壓邊冒口型式，其壓邊冒口及其“壓邊縫隙”因其結(jié)構(gòu)特點—通常是壓在鑄件的最高處、或鑄件局部輪廓的最高處，鐵液在充滿其鑄件的最高或鑄件局部輪廓的最高處之全過程中、其“壓邊縫隙”始終處于“最大縫隙”狀態(tài)，其極有利于型腔鐵液中氣體、熔渣等夾雜的溢出，有利于鑄件克服氣孔、渣孔、砂眼類鑄造缺陷；同時，壓邊冒口的“壓邊縫隙”因其直接壓在鑄件輪廓上，又具有良好的“補縮”能力，有利于鑄件克服收縮類鑄造缺陷。

圖2所示新鑄造工藝冒口系統(tǒng)方案、冒口總?cè)莘e量適宜大，其對型腔中的“冷鐵液”、氣體、熔渣、散砂的溢流（出）極為順利；及明冒口的最小排氣面積適宜大(∑F排≥(1.3～1.8)∑F阻），圖2所示新鑄造工藝冒口系統(tǒng)的明冒口的最小排氣面積∑F排的實際面積已達到∑F阻的2倍以上，這對于氣缸體類復(fù)雜薄壁鑄鐵件砂型鑄造在實施“大孔進液”快速澆注避免型腔中的“氣阻”現(xiàn)象（亦稱“打炮”現(xiàn)象）極為有效，同時其對克服鑄件的氣孔、砂眼、夾渣類鑄造缺陷又提共了一個極為重要的有益的溢出條件。

3.4 新工藝方案澆注工藝的特點

圖2所示491氣缸體新鑄造工藝方案，我們采用了有效澆注時間等新理念、確定了大孔進液澆注系統(tǒng)最小截面積。其澆注工藝的特點相應(yīng)則是：鑄件的有效澆注時間與吊補澆注時間明確（分界）掌握與控制、鐵液的澆注溫度較低（適宜范圍）。

在H廠用圖2所示491氣缸體新鑄造工藝方案，鑄造生產(chǎn)該氣缸體的有效澆注時間通常在10～14 s、吊補澆注時間為10～15 s，其澆注溫度為1 380 ℃～1 400oC。經(jīng)數(shù)以萬計生產(chǎn)實踐表明，該澆注工藝對491氣缸體的粘土砂氣沖造型、臥澆生產(chǎn)方式是適宜的和成功的。

4 結(jié)束語

在H廠用圖2所示新鑄造工藝方案，鑄造生產(chǎn)該491氣缸體兩年多時間，有效的克服了圖1所示原傳統(tǒng)鑄造工藝方案存在的上述相關(guān)問題，將原氣孔類缺陷降至在1.5%以下，基本克服了冷隔、澆不足類缺陷，使該氣缸體鑄件（最好時）達到了97%以上合格率的良好狀態(tài)。

對于491發(fā)動機干室缸套復(fù)雜氣缸體的粘土砂鑄造，和產(chǎn)品質(zhì)量指標要求高于主機廠的條件下，該類氣缸體的鑄件合格率高于同類產(chǎn)品生產(chǎn)廠正常商品生產(chǎn)狀態(tài)。其上述的一些新工藝、新技術(shù)的合理應(yīng)用起到了極為關(guān)鍵的作用。

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Research and reduction of the air hole defects of 491 dry cylinder liner

LIU GuangQing
(Nanchong Vocational and Technical College,Nanchong 637100,Sichuan,China)

This paper first sketches the defects in the production process of dry sleeve cylinder complex thin-walled castings of sand casting due to adopting some traditional casting technology, such as defects of air holes, cold insulation and pouring, etc. In order to solve the problems, some new techniques like increased core head structure, reasonable application of technology subsidies, optimization design of riser system, big hole inlet technology, effective pouring time should be used to optimize the original casting process. As a consequence of this, the enterprises for the technical support obtain good technical and economic effect.

wet cylinder block; casting; augment core print; effective pouring time; riser

TG242；

A；

1006-9658（2017）01-0029-04

10.3969/j.issn.1006-9658.2017.01.009

四川省教育廳2014年度科研計劃立項-自然科學(xué)理工科重點項目（編號：14ZA0336）

2016-06-28

稿件編號:1606-1424

劉光清（1967—），男，副教授，主要從事機械設(shè)計及模具設(shè)計等教學(xué)和研究工作.