鑲鑄氣缸套外表面結(jié)構(gòu)對形狀結(jié)合度的影響

【德】 T.KOCH R.R?SCH D.LEITNER T.LINKE

1 形狀結(jié)合狀況的改善

由過共晶鋁硅合金制成鋁氣缸體曲軸箱的相關(guān)技術(shù)目前已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用,與鑄鐵氣缸體曲軸箱相比,其質(zhì)量更輕,與同類3缸1.4 L發(fā)動機鋁氣缸體曲軸箱相比,質(zhì)量能減輕40%[1],但鋁氣缸體曲軸箱必須單獨制作氣缸套工作表面,其中缸孔可以采用涂層、氣缸套熱鑲套或鑲鑄等技術(shù)。

鑲鑄氣缸套是一種創(chuàng)新的氣缸工作表面技術(shù)[2],主要應(yīng)用于壓鑄或組合砂芯鑄造工藝。與氣缸工作表面涂層和熱鑲套相比,這種工藝能夠以較少的費用形成氣缸工作表面,但是這種鑲鑄氣缸套工作表面技術(shù)不能用于金屬模重力鑄造。本文介紹了在金屬模重力鑄造情況下鑲鑄鑄鐵氣缸套時,采用改進的氣缸套及根據(jù)計算流體力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬進行相關(guān)優(yōu)化。

2 試驗研究的目標(biāo)

該試驗研究的目標(biāo)是采用一種適合于金屬模重力鑄造的氣缸套外表面結(jié)構(gòu),以提高鑄鐵氣缸套與周圍鑄鋁的形狀結(jié)合度,其出發(fā)點是從壓鑄中鑲鑄入金屬模重力鑄鋁件中的粗糙鑄鐵氣缸套[3]。此外,模擬計算可以根據(jù)所應(yīng)用的氣缸套結(jié)構(gòu)確定夾雜的氣泡。

3 試驗方法

將一種在鋼模中鑄造的單缸氣缸體曲軸箱樣機作為試驗樣品。試驗樣品氣缸套的尺寸仿照Volkswagen公司EA288型3缸發(fā)動機的氣缸體曲軸箱,氣缸套內(nèi)徑為79.5 mm[4]。與壓鑄時的情況不同,金屬模重力鑄造時氣缸套需要預(yù)先加熱升溫,在參考文獻[5]中,參考的溫度水平在300～400℃。壓鑄中的預(yù)試驗將稍微提高的預(yù)熱溫度作為目標(biāo),為了比較考察2種氣缸套結(jié)構(gòu),在澆鑄鋁合金(AlSi9Cu3)試驗之前將氣缸套溫度調(diào)整到500℃。用砂芯形成試驗樣品中的水套和曲軸箱幾何形狀。同時,還進行鑄造過程模擬,并用試驗結(jié)果校正。

4 氣缸套

鑲鑄在氣缸體曲軸箱中的氣缸套大多數(shù)具有一種組織結(jié)構(gòu)表面,可以通過機械加工或鑄造工藝形成這種特性。正如在壓鑄中所使用的粗糙鑄造表面[2]是在離心鑄造期間獲得的氣缸套外部組織結(jié)構(gòu)表面。與高壓壓鑄(HPDC)氣缸套的粗糙鑄造氣缸套相比,一種適用于金屬模重力鑄造工藝的被稱為“多刺蟲蛀狀”氣缸套的試驗氣缸套具有更為粗糙的組織結(jié)構(gòu)表面(圖1)。

這種氣缸套外徑約85 mm,外部表面形狀輪廓高度為0.5～1.3 mm,內(nèi)徑為79.5 mm(最終精加工尺寸)。這種氣缸套的外部表面形狀輪廓是由圓柱狀金屬模上的鑄型涂料形成的,依賴于鑄型涂料成分和烘干工藝形成空腔,在離心鑄造期間由灰鑄鐵(GJL250片墨鑄鐵)[2]注滿這些空腔。金屬模的長度能達到2 m,而金屬模的內(nèi)徑則被調(diào)整到氣缸套外徑。在離心鑄造期間根據(jù)管徑大小金屬模轉(zhuǎn)速可達3 600 r/min,離心力將熔融液態(tài)金屬擠壓到金屬模壁面,鑄造金屬從外向里凝固,凝固后取出坯件進行機械加工、清洗并檢查質(zhì)量。

圖1 氣缸套外圓表面比較

5 試驗樣品

試驗樣品由具有組織結(jié)構(gòu)外表面的鑄鐵氣缸套和鑄鋁件(AlSi9Cu3)組成。圖2示出了剖開的試驗樣品及其氣缸套與鋁材之間的過渡區(qū)域。

圖2 鑲鑄氣缸體剖面

鑄鐵氣缸套與周圍鑄鋁之間的界面特別重要,其開發(fā)目標(biāo)是通過鑄造工藝和氣缸套外表面組織結(jié)構(gòu)的設(shè)計達到盡可能高的形狀結(jié)合度,因此應(yīng)排除氣缸套與周圍鑄鋁之間的空氣泡,它們會阻礙燃燒室與冷卻水套之間的熱傳導(dǎo)。

通常用顯微鏡檢驗氣缸套與周圍鑄鋁之間的過渡區(qū)域來查明氣缸套的形狀結(jié)合狀況,并可將縫隙高度和未結(jié)合的氣缸套輪廓長度與標(biāo)準(zhǔn)值進行比對。

為了制作試驗樣品,將氣缸套預(yù)熱,插入電加熱的試驗金屬模中,再澆鑄AlSi9Cu3鋁合金,此時熔融鋁液的流動速度約為0.1 m/s,澆鑄開始時溫度為700℃。

6 模擬計算

為了進行模擬計算,分別從HPDC氣缸套(粗糙鑄造氣缸套)和試驗氣缸套(多刺蟲蛀狀氣缸套)上各取下一塊面積約15×15 mm2的樣品,由高分辨率的計算機層析X射線掃描儀(CT)(體積像素邊緣長度為10 μm)制作氣缸套結(jié)構(gòu)的計算機輔助設(shè)計(CAD)模型。圖3示出了取下的2種氣缸套樣品的CT照片。

圖3 鑄鐵氣缸體表面的CT照片

用于CFD模擬的工藝參數(shù)來自試驗中所獲得的過程數(shù)值和整個鑄造過程的模擬數(shù)據(jù),但是并沒有考慮到氣缸套的形狀結(jié)合狀況。為了模擬氣缸套的形狀結(jié)合狀況,將面積為15×15 mm2的樣品和形狀空隙劃分成150萬個網(wǎng)格,其中每10個棱柱條排列在界面的兩側(cè),分辨率約為70μm。

圖4(a)示出了鑄造開始前網(wǎng)格化的氣缸套樣塊,圖4(b)是推導(dǎo)出的多刺蟲蛀狀氣缸套周圍鑄鋁中的空氣組分,圖4(c)是推導(dǎo)出的粗糙鑄造氣缸套周圍鑄鋁中的空氣組分,其中空氣組分的百分比色標(biāo)由0%(藍色)～100%(紅色)。可推導(dǎo)出等值表面圖(圖5),其中多于50%的空氣組分可以在顯微鏡下看到所包含的空氣,并且可考慮轉(zhuǎn)換成等值表面圖。從圖5可清楚地識別出,與粗糙鑄造氣缸套相比,外表面優(yōu)化后的多刺蟲蛀狀氣缸套與周圍鑄鋁之間的界面上所包含的空氣要少得多。

圖4 周圍鑄鋁中的空氣組分模擬圖

圖5 從模擬計算結(jié)果推導(dǎo)出所包含的空氣

7 試驗與模擬計算之間的比較

為了對模擬計算結(jié)果與對真實氣缸套的檢驗結(jié)果進行比較,要確定在模擬計算中和在周圍鑄鋁中所包含的空氣。為此,試驗樣品的取樣借助于CT分析確定所包含的空氣。圖6示出了多刺蟲蛀狀氣缸套的模擬計算結(jié)果與試驗部位的CT照片。

圖6 多刺蟲蛀狀氣缸套所包含空氣的模擬與CT照片的對比

從模擬計算得知試驗樣品約有10%的空氣組分,比實際檢驗值15%略低。在進一步采用最佳參數(shù)進行的CFD模擬計算中,所包含的空氣組分可降低到約5%,更確切地說,氣缸套的形狀結(jié)合度可提高到95%。

8 結(jié)論

試驗研究結(jié)果可以確認(rèn),與采用金屬模重力鑄造的常規(guī)粗糙鑄造氣缸套相比,具有特殊組織結(jié)構(gòu)表面的多刺蟲蛀狀氣缸套在氣缸套與鋁鑄件之間能夠獲得良好的形狀結(jié)合度,經(jīng)檢驗其形狀結(jié)合度可達到85%。通過調(diào)整參數(shù),如調(diào)整鋁的熔融溫度等,可使氣缸套形狀結(jié)合度提高到90%。

僅為氣缸套的小范圍進行澆鑄過程模擬計算,這種氣缸套在澆鑄過程期間數(shù)秒鐘內(nèi)就被熔融鋁液完全包圍,熔融鋁液處于液態(tài)狀態(tài),在如此短暫的時間內(nèi)其中組織幾乎被認(rèn)定為均勻的,通過特殊的表面組織結(jié)構(gòu)確保了氣缸套的形狀結(jié)合牢度。因此,模擬計算的氣缸套結(jié)合狀況能適用于整個氣缸套外表面。