基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的柴油機(jī)汽缸蓋鑄造工藝優(yōu)化

郭業(yè)雄

(廣西嘉德機(jī)械股份有限公司，廣西 玉林 537000)

1汽缸蓋性能要求

該汽缸蓋由HT250組成，拉伸強(qiáng)度≥250 MPa，機(jī)身硬度hbw185-230，總尺寸887mm×250 mm×113 mm，毛坯重量89 kg，鑄鐵壁厚不均勻，鑄鐵內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鑄件加工難度大，鑄件廢品率高。

(1)汽缸蓋鑄造特點(diǎn)：腔體結(jié)構(gòu)形成復(fù)雜，水洞砂芯基本為液態(tài)金屬包裹，作為固定支撐的工藝砂芯，砂隙較小，在鑄造過(guò)程中，由于浮力結(jié)合及高溫下砂芯難以固定和排出，砂芯容易斷裂，造成砂芯流動(dòng)，鑄件穿孔破壞。鑄件的排氣量太小，容易造成鑄件在高溫下產(chǎn)生氣體而不能排出，侵入鐵液，使鑄件產(chǎn)生氣孔。

(2)鑄件的壁厚差別很大。厚壁比薄壁厚6～7倍。尤其噴嘴安裝的壁厚非常大。鑄件容易形成熱塊，縮松缺陷極易產(chǎn)生。

(3)汽缸蓋應(yīng)致密緊湊。復(fù)合內(nèi)腔與不能互相逃逸的氣體、水和油孔相結(jié)合。這樣不但要求材料致密性高，而且要求鑄件的內(nèi)腔透氣性和其他部位不出現(xiàn)吸砂、吸渣、氣孔等缺陷。

2鑄造工藝

2.1砂芯設(shè)計(jì)

汽缸蓋結(jié)構(gòu)決定復(fù)雜的鑄造工藝?？紤]上、下排芯的特點(diǎn)，要求其鑄造性能高。采用低抽氣量、高強(qiáng)度的熱軋砂芯，其余為冷砂芯，以防止鑄后熱變形和斷裂。

2.2鑄造工藝

用側(cè)澆方法，將2個(gè)鑄件放在一個(gè)箱體內(nèi)，從鑄件底處進(jìn)水，提高了產(chǎn)品產(chǎn)量和生產(chǎn)效率。澆注系統(tǒng)全封閉，澆注系統(tǒng)各部件的橫斷面比為=1.3∶1.2∶1。澆鑄過(guò)程中，鐵液的流動(dòng)速度逐漸加快，可使其迅速流入型腔，減少鑄件冷隔的危險(xiǎn)。按產(chǎn)品壁厚計(jì)算，鑄件溫度為1400～1420℃。通過(guò)試驗(yàn)，在此溫度下，鑄件無(wú)冷隔缺陷，且無(wú)鑄造溫度較低的缺陷。

3缺陷和問(wèn)題分析

3.1氣孔類(lèi)

氣孔原因：氣孔原因復(fù)雜，例如，砂芯排空過(guò)多，砂芯排空不暢，型砂含水量高，型砂透氣性差，鑄鐵時(shí)被卷入氣體中，鑄鐵液凝固時(shí)析出氣體，鑄鐵液充填后發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生氣體。對(duì)現(xiàn)有缸蓋上產(chǎn)生的氣孔進(jìn)行分析，有侵入型、卷入型和析出型3種。

(1)侵入性氣孔。鑄件中含水率過(guò)高，砂抽氣量過(guò)大或透氣性差，或砂芯排氣性差，造成氣體強(qiáng)行進(jìn)入鐵液，不能及時(shí)排出，從而形成侵入性氣孔，是造成侵入性氣孔的主要原因。

(2)卷入性氣孔。鑄造體系不合理，充模時(shí)鐵液中含氣，氣孔在凝固前無(wú)法消除是造成氣孔粘連的主要原因。

(3)析出性氣孔。隨熔化溫度的降低，氣體在鐵液中的溶解性下降，無(wú)法及時(shí)將氣體與鑄件分離，從而形成制取的氣孔。

3.2砂眼類(lèi)

在鑄造過(guò)程中，砂眼是常見(jiàn)的廢品之一，但其形成過(guò)程較為復(fù)雜。通過(guò)對(duì)鐵液從鑄造廠流入鑄造廠的全過(guò)程進(jìn)行砂眼缺陷分析，發(fā)現(xiàn)任何接頭處的砂眼均可由不同因素引起。

鑄型緊實(shí)度對(duì)砂眼的影響：鑄型是鑄件的關(guān)鍵部件，鑄型致密度不足或在鑄件的氣化系統(tǒng)中不夠致密，會(huì)導(dǎo)致鐵液坍塌或砂塊侵蝕，最終在鑄件中形成砂眼。

鑄型清潔度對(duì)砂孔的影響：一是鑄型本身掉砂造成的砂孔，例如鑄型的密實(shí)度；二是外來(lái)土地造成的鐵砂孔，主要是鑄型上的疏松砂和砂塊未清理干凈，使雜質(zhì)包裹在鐵液中形成砂眼。

鑄件溫度、流量對(duì)砂孔的影響：如果鑄件溫度過(guò)高，鑄件粘結(jié)劑就會(huì)燃燒，造成工具表面砂粒松散，并容易被鐵液罐帶入模具。若鐵液流量太大，模具尤其是澆注系統(tǒng)，沖刷太多，容易導(dǎo)致澆注系統(tǒng)砂子沖入模具，形成砂眼。

4鑄造工藝優(yōu)化

澆注系統(tǒng)主要針對(duì)的是砂孔、氣孔和堆芯嚴(yán)重沉降等質(zhì)量問(wèn)題。改良前的結(jié)構(gòu)如下：直澆道∶橫澆道∶內(nèi)澆道=1.3∶1.2∶1，全封閉澆注系統(tǒng)。鑄件后端的鐵液流量大，對(duì)型鋼澆注系統(tǒng)具有局部頂出效應(yīng)。在同一澆注系統(tǒng)內(nèi)，型砂容易被沖刷掉。若因鐵液流量大而到達(dá)鑄造室，鐵液噴入鑄造室時(shí)還容易吸入氣體，同時(shí)又容易穿透鑄造室砂芯，導(dǎo)致砂芯破裂或塌陷。

由于鐵液在鑄型中流動(dòng)時(shí)，由于鐵液壓力增大，鐵液流速增大，使得鑄型加劇，使得內(nèi)澆道砂型松散脫落，從而造成鑄型內(nèi)澆道內(nèi)澆道內(nèi)澆道內(nèi)灌滿鐵液后，形成砂眼。產(chǎn)生氣孔的主要原因是當(dāng)鐵液通過(guò)內(nèi)澆道進(jìn)入鑄型時(shí)，形成了一種噴射狀，使氣體很容易被卷入鐵液中，最終在鑄件中形成氣孔。由于砂芯形成水腔常發(fā)生燒結(jié)、斷芯現(xiàn)象，造成水腔水道不通，水腔無(wú)法清理，使后處理毛坯工作量大，耗費(fèi)大量人力、物力，同時(shí)不能保證缸蓋內(nèi)腔的潔凈度，給發(fā)動(dòng)機(jī)造成嚴(yán)重的質(zhì)量隱患。

分析了存在的問(wèn)題，主要從優(yōu)化澆注系統(tǒng)、改進(jìn)后澆注系統(tǒng)的截?cái)嗝娣e比例、直澆道∶橫澆道∶內(nèi)澆道=1.3∶1.2∶1.35等方面加以改進(jìn)。優(yōu)化澆注系統(tǒng)，增加內(nèi)澆道進(jìn)液量，將鐵液阻流點(diǎn)轉(zhuǎn)移到橫向澆注，減小了鐵液速度和鐵液沖刷型腔的力，減少了砂眼的產(chǎn)生。內(nèi)澆道增大，液流速度減小，在鑄件加工過(guò)程中，鐵液不出現(xiàn)噴射現(xiàn)象，減少了氣體的卷入，同時(shí)又不沖向水腔砂芯，降低了水腔砂芯燒結(jié)后斷芯的質(zhì)量問(wèn)題。

經(jīng)改進(jìn)的鑄造工藝，于2019年6月-2020年6月試制加工890件，僅有10件螺絲孔報(bào)廢，主要是鑄件的氣孔缺陷，廢品率為1.12%，質(zhì)量成本大幅度降低。

5結(jié)語(yǔ)

對(duì)澆鑄系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，改變了鐵液填料方式，減緩了鐵液流速，降低了氣孔率；在此基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)整孔型系統(tǒng)中各單元的比例，可以控制鐵液流量，減少鐵液對(duì)孔型系統(tǒng)的侵蝕，從而降低漏砂。通過(guò)改變澆鑄系統(tǒng)各單元的比例，優(yōu)化澆鑄系統(tǒng)，減緩鐵液進(jìn)入型腔的速度，減少鐵液對(duì)水洞砂芯的侵蝕，減少水洞砂芯的澆鑄和燒結(jié)，從而提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和潔凈度。