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康明斯發動機缸體消失模鑄造 有代表性

發動機缸體、缸蓋的制造水平是衡量一個國家制造業水平的重要標志之一,在很大程度上代表了一個國家汽車工業的發展水平。不斷提高發動機功率,降低燃油消耗量和減少尾氣排放是汽車工業自身發展的內在需求,也是外部環境的客觀要求。缸體毛坯的鑄造成型過程既有傳統的砂型鑄造工藝,又有最新的消失模鑄造工藝。

與傳統的砂型鑄造相比,消失模鑄造具有以下優點:

(1) 取消了混砂、制芯工序,省去了傳統造型工序中分箱、起模、修型、下芯及合箱等操作,大大簡化了落砂、鑄件清理及砂處理工序,因而縮短了生產周期。

(2) 一方面由于在負壓下鑄型剛度大,鑄鐵件易于實現自補縮,從而減小鑄件所需的冒口尺寸;另一方面由于泡沫模型簇的組裝自由度大,易于實現一型多件澆注成形,提高了工藝出品率。

(3) 消失模鑄件機械加工余量小(2.5~3.5mm) ,壁厚均勻度高,孔徑大于7mm 的內部型腔都可以直接鑄出,鑄件重量同比普通砂型鑄件減輕8%~12% 。

(4) 消失模造型干砂中無需粘結劑和添加物(煤粉、膨潤土、水) ,既節約了大量的原材料,又有利于舊砂循環使用,減輕環境污染。

因此相比之下,濕式缸體(鑲缸筒)和干式缸體(帶缸筒整體一次鑄造成型)類鑄件較適合用消失模工藝鑄造。根據本公司的實際生產情況,我們發現工藝成熟之后,缸體類產品的合格率比一般的箱體類鑄件的合格率要高。主要原因在于箱體類鑄件的白模變形有一定的隨機性,而缸體本身的結構決定了其本身不容易產生變形一類的缺陷。我公司現開發的缸體類鑄件也是以濕式缸體類為主,干式缸體為輔。其中濕式以2105、2108、4102、3102、6DF等系列的缸體為代表,而干式缸體以康明斯6102為代表。濕式缸體類產品已實現批量生產,在此不再贅述;而康明斯干式缸體6102正在進行研發,鑄造工藝上剛剛取得實質性突破?,F將干式6102缸體工藝歸納如下,與業界朋友分享。


1、模具的設計開發

合適好用制作精良的的模具是泡沫成型的關鍵,而收縮率的參數選擇是模具設計中的關鍵所在。針對康明斯6102干式缸體,在收縮率方面,長度方向取2.2%,高度方向取1.6%。

其次,根據筆者以往鑄造缸體的工藝經驗,濕式缸體和干式缸體鑄造的最大難點就是水道、油道的滲漏問題。這跟模具的分型方案和尺寸確定都有重要關系。首先分型面在水、油道處盡量不要太多(即分型面不宜太多),過多會導致該處用膠量過大或者沒有粘接到位而導致滲涂料的現象(特別是水道的粘接縫是不容易檢查的)。缸體的主要壁厚在5毫米左右,滲入的涂料和粘接劑氣化不完全留下的碳化物很容易就穿透壁厚造成打壓時滲漏。因此模具分型方案的確定,首先需要解決的是如何在水道和油道處不粘接或少粘接。通過多次三維模擬,我們確定了康明斯6102缸體的分型方案:整體白模由5件白模模片組成,對稱分型形成兩件主體白模,以保證缸體整體尺寸不會變形。具體如下圖1:

圖 1 缸體的分模方案

對于這類復雜鑄件,編制非常詳細和可行的工藝文件是非常重要的。我們對所有模片進行編號和命名,以便編制標準文件。組合后效果圖見圖2。

圖 2 白模模片組合效果圖

其次就是尺寸問題,常規的消失模產品習慣將鑄件的壁厚走下限,將鑄件的整體重量減輕,以此來體現消失模鑄造的優勢。但對于發動機缸體這樣的鑄件來講,筆者認為是不可取的。為了提高鑄件的一次打壓合格率,所有水道和油道的壁厚都應該走上限,以增加上述范圍內的壁厚。此外根據澆注工藝,還有一些關鍵尺寸還是應該要適當做調整的。

2、模樣的成型

由于缸體的壁厚較薄,我們采用的是龍王牌的P-S珠?;?S料來成型,預發密度控制在23-26g/l。傳統消失模工藝中,鑄件強調的是在能成型的狀態下密度越輕越好,但對缸體類薄壁鑄件來說,密度太低會導致珠粒之間熔合困難,導致模片有疏松缺陷,進而在浸涂料時會造成涂料內滲形成涂料渣,澆注的鑄件就會有打壓滲漏現象。因此密度不宜太低。通過進一步的論證和加工后打壓結果表明,制定這個密度范圍標準是能滿足質量要求的。成型機我們采用的是半自動液壓型,即人工加料完畢后其余工序由設備控制系統自動完成,這樣能保證白模質量的一致性,對于大批量生產來說是非常重要的。

3、模樣的組合

第三個比較重要的工藝步驟就是模型的組合,這個工序有以下四個重點需要注意:

(1)白模一定要徹底烘干,包括澆注系統。

每批次白模都要有它們的烘干記錄。組合前,應該檢查每一批次的尾件烘干情況,尾件烘干意味著該批次白模烘干,可以進行組合。組合前對每一件模型都要做稱重記錄,并用油畫筆寫在規定的地方。重量超標的要單獨制定澆注參數。

(2)用膠量的控制

理論上講,膠的危害比白模的危害要大得多,這在實踐中也證明了這一點,因此對于膠的用量是應該控制的,特別在水道和油道的粘接面更是如此。當白模組合完畢后再整體稱重,以該重量減去白模本身的重量就是膠重,發現超標的作上醒目標志,以便在后續工序通過提高澆注溫度或者負壓度來解決。

(3)粘接縫的修補

缸體類鑄件屬于復雜系數較大的一類鑄件,特別是水道腔,該處最為復雜,模具上很難將該處一次成型出來,比如6102缸體的泵殼。在該處就形成了一處流程相當長的兩層粘接縫,如果該處的粘接縫處理不好,那么在水壓試驗中就會出現滲漏現象。這在質量要求過程中是不允許的。我公司采用的方法是一次粘接完畢后在所有的粘接縫處均勻涂上一層筆者自行配制的消失模專用修補膏,該修補膏能完全覆蓋粘接縫,在高溫下能完全氣化,避免了浸涂過程中由于涂料的滲入造成的涂料渣,從而杜絕了在打壓過程中發生滲漏而造成產品報廢的情況。

(4)澆注系統設計

澆注方式采取上雨淋式頂澆為主,尺寸如圖3。具體澆注工藝如圖4。

圖3 雨淋式澆注系統

圖4 六缸發動機頂注工藝

4、涂料工藝

缸體類鑄件對涂料的要求除了一般性性能要求外,還有兩點值得特別重視:

(1)涂料在常溫下的抗裂紋性要好。缸體的水道腔是非常復雜的,涂料在該處容易堆積,堆積過厚的水基涂料在烘干的過程中很容易出現裂紋,而這些裂紋是很難被發現的。如果處理不好,澆注時將會導致水套粘砂。水道的粘砂常常無法清理而導致鑄件報廢。

(2)涂料的剝離性能。缸體水道近似于一個封閉的容器。在拋丸過程當中鋼丸無法進入到水道腔內部,如果涂料的剝離性能不好的話則水道內腔的涂料層將無法清理。我公司采取在涂料中加入助溶劑的辦法,通過多次調整,最終滿足了使用要求。

5、造型與澆注

缸體材質屬于HT250低合金鑄鐵,要求Cu:0.2%-0.4%,Cr:0.15%-0.25%。

其它五大元素的控制范圍是:C:3.2%-3.35%,Si:1.85%-2.05%,Mn:0.8%-0.95%,P:≤0.08%,S:0.05%-0.07%。

配料:廢鋼60%、生鐵20%、回爐料20%,普通75硅鐵孕育。

通過爐前快速分析儀保證化學成份,需要注意的是Cr應該在爐前取樣后加入,以免干擾爐前分析儀,銅直接加入鐵水包。鐵水出爐溫1590℃,澆注溫度1490℃,負壓保持在-0.04MPa至-0.05MPa,澆注時間30s左右(鑄件重量167kg),通過強度檢查和硬度檢查,上述化學成份能滿足用戶要求。產品圖見:圖5。

圖5 產品圖

6、總結

通過生產實踐證明,該類缸體適合消失模鑄造工藝。其中模具分型設計保證關鍵部位最少粘接面,水道、油道的壁厚走上限,頂注方式、快速澆注工藝這三方面是保證缸體質量的重點。



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