高性能连体缸盖关键铸造工艺研究及应用.pdf

31 中国铸造装备与技术 3 ∕ 2017 Production Techniques 生产技术高性能连体缸盖关键铸造工艺研究及应用齐亚平，王超，刘立强，刘婧，李兆建（潍柴动力（潍坊）铸锻有限公司，山东潍坊 261199）摘要 : 连体缸盖采用平组立浇铸造工艺，整个铸件由砂芯形成，砂芯之间定位准确，减少了下芯造成的尺寸偏差，铸件尺寸精度高。阐述了连体缸盖关键铸造工艺的开发，重点对平组立浇工艺、蠕铁工艺、CAE 分析应用等内容进行了阐述。关键词： 连体缸盖；铸造工艺；蠕铁；CAE 分析中图分类号：TG250.6；文献标识码：A；文章编号 :1006-9658（2017）03-0031-03DOI：10.3969/j.issn.1006-9658.2017.03. 010 收稿日期 :2016-12-01稿件编号 :1612-1595作者简介：齐亚平（196—），女，高级工程师，主要从事铸造工艺开发工作 .0 引言缸盖是发动机的关键零部件之一，一般结构型式有单体式和整体式。缸盖要求冷却通道和油道具有良好的气密性，燃烧室和排气道的尺寸、位置精度将直接影响发动机的功率参数。近年来，为适应发动机增压、小型化的发展趋势，满足日益严格的排放和节能要求，急需开发强度高、导热性和耐疲劳性能好的高性能的连体缸盖[1]。连体缸盖具有缸心距小、结构紧凑等优点，能够在有效缩短发动机长度的基础上获得更高的强度，在加工、紧固、密封等方面具有显著优点。但连体缸盖铸件容易发生整体变形，同时因缸盖内腔复杂、壁薄等情况，在铸造过程中容易出现断芯、烧结等问题，增加了铸造工艺开发和实施的难度。1 关键铸造工艺介绍1.1 平组立浇技术开发1.1.1 平组立浇技术介绍我公司开发了多缸四气门连体缸盖流水线整体组芯、平组立浇技术，解决了传统铸造工艺易造成铸件整体变形、尺寸精度难以保证、无法实现高节拍生产的技术难题。针对多缸四气门连体缸盖，独创了平组立浇、一箱多件的铸造工艺。与传统技术相比[2]：①缸盖大平面转移到侧面，有利于改善冒口系统和排气系统的布置，从而减少铸件上气孔、砂眼、夹砂等缺陷的产生；②缸盖立浇，消除了凝固过程缸盖高度方向的整体应力差，避免了缸盖易整体变形的问题；③一箱多件、整体芯组及其自动化、高节拍的组芯下芯技术，以及芯子快速粘结与紧固等相关技术，实现了按节拍高效生产。图 1 缸盖砂芯组芯示意图图 2 缸盖浇注系统示意图万方数据32中国铸造装备与技术 3 ∕ 2017生产技术 Production Techniques1.1.2 平组立把工艺工艺设计初期组芯工艺采用平组平把，即连体缸盖的上盖芯和底盘芯组先用热熔胶进行粘结，砂芯翻转 90 度进行立组把螺栓。此时热熔胶尚未起到粘结作用，砂芯容易裂开定位不准确，且再次把紧容易造成砂芯缺料。后经过专门的工艺优化改进，通过新设计组芯夹具、胎具，把螺栓时砂芯水平放置，依靠重力作用使砂芯紧密组合，再由螺栓把紧，有效的解决了砂芯立组开裂问题，防止热熔胶未固化时流入砂芯间隙，影响砂芯下芯。砂芯平组把紧螺栓杆较立组方便，快捷，机械手从注热熔胶工位夹取只平移砂芯，无需翻转动作，节省作业时间，提高生产效率。图 3 砂芯平组立把示意图1.2 蠕墨铸铁应用采用喂线法与热分析法相结合的方法生产蠕墨铸铁，开发了热分析适时检测喂线控制技术及成套设备；通过在线测量及时对铁液处理状态进行判断 ，如 图 4 所示，从而精确控制蠕化剂与孕育剂的加入量。与传统技术相比，有效避免了蠕化不充分、蠕化过度的不稳定状态。产品蠕化率稳定达到 80% 以上，满足欧洲行业标准，处行业领先水平。同时，本项目还研究了铸铁件石墨形态与超声波频率（波速）之间的对应关系，创新性的开发了超声波无损检测蠕化率的检测方法，形成相关检测的标准与规范，如图 5 所示为试验获得的蠕化率与声速率的关系。将这一成果用于随线快速、可靠、经济的蠕墨铸铁铸件的蠕化率无损检测，从而在根本上杜绝了性能不合格铸件的流出，确保铸件品质。（a）NISSAB 热分析结果 （b）OCC PhaseLab 热分析结果图图 4 铸铁热分析检测结果0 20 40 60 80 100 12042004600500054005800□□□□□□(m/s)□□□(%)□□□□□□□声速/(m/s)蠕化率 /%球墨铸铁蠕墨铸铁灰铸铁图 5 蠕化率与声速率的关系图表 1 所示为本项目灰铸铁与蠕墨铸铁的性能指标。表 2 所示为本项目蠕墨铸铁工艺与常用技术的对比情况。表 1 本项目灰铸铁与蠕墨铸铁性能指标材料 抗拉强度 /MPa 硬度 /HBW 石墨形态 基体组织 石墨片长RuT400 ≥ 400 180~240蠕化率80% 以上珠光体≥ 70%—HT280 ≥ 280 190~260 A珠光体≥ 98%4~6 级表 2 本项目蠕墨铸铁工艺与常用技术的对比情况工艺 蠕化率 稳定性 生产成本 废品率 综合成本冲入法 低 差 低 高 高Sinter Cast 80 以上 好 高 低 高潍柴 80 以上 好 低 低 低1.3 铸造 CAE 分析应用 MAGMA 软件对铸件进行铸造 CAE 分析， MAGMA5.0 软件运算速度快，准确性高，应用铸造凝固模拟软件和已获取的三维数据对缸盖的铸造过程进行模拟。充型过程模拟铁液在浇注过程中铁液的流动方向和速度情况及气体压力情况，从而预测铸件可能出现的砂眼、气孔和渣眼等缺万方数据33 中国铸造装备与技术 3 ∕ 2017 Production Techniques 生产技术陷。通过模拟铸件的凝固温度场变化，预测铸件缩松倾向及发生部位[3]。如 图 6 所示为模拟充型效果，图 7 所示分别为凝固模拟、缩松部位和冲击力模拟结果。从充型过程的各种模拟结果 ( 充型色温、充型速度、充型压力、粒子示踪、型壁冲击力）来看，充型比较平稳，没有明显的负压与紊流、充型过程温降适中、浇注系统的设置有利于集渣、铸件型腔内型壁冲击力较小。从凝固过程的模拟结果来看，铸件总体凝固次序较好，在凝固过程局部出现了一定孤立液相，这些部位在后续凝固有缩松倾向。图 6 缸盖充型模拟2 结束语连体缸盖采用平组立浇铸造工艺，整个铸件由砂芯形成，砂芯之间定位准确，减少了下芯造成的尺寸偏差，铸件尺寸精度高。同时可以有效利用砂箱的空间，提高铸件的工艺出品率，也极大的提高了生产效率，一定程度上降低了生产成本。图 7 缸盖凝固模拟连体缸盖平组立浇工艺的成果应用，填补了潍柴连体缸盖平组立浇工艺的空白，为公司生产连体缸盖积累了丰富的经验，目前已经推广至其他系列连体缸盖的生产，对企业提升产品竞争力提供了强有力的支持。参考文献[1] 施廷藻.铸造实用手册[ M].沈阳:东北工学院出版社，1998:11-13.[2] 倪灯塔 , 张世明 . 发动机缸盖的铸造工艺探讨 [ J]. 特种铸造及有色合金 ,2006(6):1-2.[3] 齐亚平 , 于化顺 , 臧加伦 . 灰铸铁缸盖气孔缺陷的防止措施 [ J].中国铸造装备与技术 ,2009(3):2-3.Research and application of key casting technology for high performance conjoint headQI YaPing, WANG Chao, LIU LiQiang, LIU Jing, LI ZhaoJian(Weichai Power (weifang) Casting &Forging Co.,Ltd.,Weifang 261199,Shandong,China)Abstract: This paper describes the advantages and diffi culties of the conjoint cylinder head casting, described the development of conjoint cylinder head casting process, focusing on the group flat vertical casting process, vermicular iron craft, CAE analysis applications, etc. are described.Keywords: onjoint cylinder head； casting technology； vermicular iron； CAE analysis万方数据