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发动机缸体缸盖的消失模铸造技术气动阀

展邦五金网 2022-07-30 03:38:25

发动机缸体缸盖的消失模铸造技术

发动机缸体缸盖的消失模铸造技术 2011年12月04日 来源: 发动机缸体、盖的制造水平是衡量国家的制造业水平的重要标志之一。中国消失模铸造技术还刚起步,处于技术革新期,需要有一个艰苦的技术积累过程,但前景光明。消失模铸造技术的工艺过程消失模铸造技术(Lost Foam Casting,简称LFC)是一项精确成形的铸造新技术。1958年,美国人H.F.Shroyer首次用泡沫板材加工的模样,用含有粘结剂的型砂作充填砂制造金属制件并取得专利,直到20世纪80年代专利期满后,消失模技术才获得了大规模的应用。在90年代,美国通用汽车公司率先应用于发动机的缸体缸盖制造,并实现大批量工业化生产获得成功。LFC法的工艺过程消失模铸造是将与铸件尺寸形状相似的泡沫模型粘结组合成模型簇,刷涂耐火涂料并烘乾后,埋在乾砂中振动造型,在常压或负压下浇注,使模型气化,液体金属占据模型位置,凝固冷却后形成铸件的新型铸造方法。图1是传统的粘土砂铸造与消失模铸造主要工艺流程的比较。

图1 两种铸造工艺流程的比较

可以看出,消失模铸造每生产一个铸件就要消耗一个泡沫模样,所以增加了预发泡和发泡成型的工序,但减少了型(芯)砂制备、制芯、造型、下芯等许多烦琐工序。LFC法的工艺主要特点LFC是一种近无馀量、精确成形的工艺。其采用聚苯乙烯或共聚物的泡沫塑料模压成型,组合成模,泡沫模样可实现无起模斜度,既无分型面又无型芯,减少由于型芯块组合而造成的尺寸误差。铸件尺寸精度和表面粗糙度可达CT5~CT7、Ra=6.3~12.5µm,介于砂型铸造和熔模铸造之间。由于充填砂采用乾砂,根除了由水分、粘结剂和附加物带来的缺陷,铸件的废品率下降,铸件质量明显提高。容易实现清洁生产。低温下聚苯乙烯(EPS)对环境无害,浇注时EPS有机物排放量仅占浇注铁液质量的0.3%,而自硬砂为5%。同时产生有机排放物的时间短、地点集中、易于搜集,可以采用负压抽吸式燃烧净化器处理,燃烧产物净化后对环境无公害,旧砂回用率在95%以上。与传统铸造方法相比,LFC法的杂质、一氧化碳气体和矽石粉尘危害明显减少,工人劳动强度大大降低,劳动环境显着改善,容易实现机械化、自动化和清洁生产。为铸件结构设计提供了充分的自由度。原先要由多个零件加工组装的结构,采用LFC工艺后可以通过分片制模然后粘合的办法整体铸出(如:复杂的六缸缸体、盖模样可以由若干个模片组装成一个整体(如图2),而且型芯可以省去,孔、洞可以直接铸出,这就大大节约了加工装配的费用,同时也可以减少加工装备的投资。一般说来,与传统铸造工艺相比,LFC技术设备投资可减少30%~50%,铸件的成本可下降10%~30%(成本下降的幅度取决于零件批量、复杂程度以及加工装配时间的节省等)。

图2 铝合金消失模缸体泡沫模样(左为整体模样,右为分片模样)

金属液的流动前沿式热解的消失模产物(气体和液体),它会与金属液发生反应并影响到金属液的充填,如果金属充型过程中热解物不能顺利排除,就容易引起气孔、皱皮、增炭等缺陷。这就要求工艺师掌握消失模铸造成形原理,正确设计浇注系统,制定合理的工艺方案。模具制造成本较高,没有一定的生产批量,很难获得好的经济效益。缸体缸盖的消失模应用消失模铸造符合当今铸造技术发展的总趋势,发展前景广阔,其优越性不容置疑。特别适合于离合器壳、变速箱、发动机缸体和缸盖这类产品的批量生产。目前国内外相关应用情况如:美国美国通用汽车公司(GM)于1981年利用消失模技术第一次试制了4.3L、V6型铝合金发动机缸盖(如图3a),由于各方面工艺还未成熟,没有取得成功;1985年GM公司又试制2L、L4型铝合金发动机缸盖(如图3b),一举获得成功;2001年GM所属的Saginaw铸造厂消失模生产线正式投产,标志着美国消失模技术走向成熟。

图3 铝合金发动机缸盖(左为图3a:4.3L、V6型;右为图3b:2L、L4型)

Saginaw铸造厂是目前世界上最先进、规模最大的消失模生产工厂,共有五条生产线,能够日产198.6kW直列式运动跑车六缸铝合金缸体和缸盖各2100件,试压后总废品率不大于12%,其中内废小于10%。该厂生产的Votec 4200六缸缸体和缸盖(如图4)是目前最复杂、最有代表性的LFC产品,充分体现了该技术的优越性。这型号的缸体和缸盖是该公司的设计部门充分考虑了LFC法的特点而设计的,缸体质量40kg,缸盖质量22kg,产品设计中集成了曲轴箱,油/空气分离器(图5a)、通气系统(图5b)、复杂弯曲的回油管路(图6)全部铸出,大大减小了钻孔加工和螺栓装配工作量,减轻了整机的质量,减少了噪音、振动和污染,提高了燃油效率,降低成本。

图4 Votec 4200六缸缸体和缸盖

图5 缸体、盖内部复杂结构(左为油/空分离器,右为缸盖通气系统)

另外,Saginaw铸造厂工艺过程完善,完全实现了清洁生产,5台预发泡机、29台成形机每天生产高质量的聚苯乙烯缸体和缸盖模样。缸体分4片,粘合成一个整体,浇注时水平放置,一箱一件;缸盖分5片粘合成一个整体,浇注时水平放置,一箱两件。采用高性能的云母基涂料,由机械手自动浸涂,乾燥后由机械手放入砂箱,雨淋式加砂,分三阶段水平振动紧实。铸件在清理、粗加工后,100%经渗透试验,T6热处理,然后送到加工工厂进行精加工。

图6 发动机高压油路系统(右上箭头指向缸体油路,左下箭头指向缸盖油路)

经过十馀年的研究和实践,相关电脑软件快速发展,使消失模的工艺设计建立在更科学的基础上。在工艺和模具设计制造领域,建立了先进实用的CAD/CAM/CAE系统,可以准确、高效地生产像六缸缸体、缸盖之类复杂高质量的模具;通过应用软件(如Flow 3D)类比金属液充型、凝固过程的流动场和温度场,可预测铸件产生缺陷的部位;并着手进行泡沫珠粒射料过程的流场类比和模样在模具中加热、冷却过程中温度场的变化规律类比。成功实现了曲轴、变速箱、差动器、离合器、进气管、排气歧管、发动机缸体和缸盖的工业化生产。中国20世纪90年代中后期,LFC法在中国获得较广泛的生产应用和快速发展,在不到十年的时间里,中国消失模铸造技术已发展到一个新的阶段,在产品质量逐步提高地同时,铸件也由简单的耐磨零件扩展到变速箱体等复杂铸件。2003年前后,山西华恩集团、重庆南川天宝特种铸造有限公司、福州福清跃龙公司、温州欧海实型制造有限公司等、安徽全柴动力股份有限公司等企业,采用消失模技术主攻缸盖、缸体,初步获得成功,开始走向市场,但由于受到增碳、气孔等铸造缺陷的困扰,还未能实现低废品率的大批量工业化生产。发动机缸体、盖的制造水平是衡量国家的制造业水平的重要标志之一,消失模铸造技术使得这类零件设计更为柔性、集成度高,减轻铸件重量,提高燃油效率。中国缸体、盖的消失模铸造技术还刚起步,处于技术革新期,需要有一个艰苦的技术积累过程,但前景光明。(end)

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