基于計算機輔助設計的柴油機汽缸蓋鑄造工藝優化

郭業雄

(廣西嘉德機械股份有限公司，廣西 玉林 537000)

1汽缸蓋性能要求

該汽缸蓋由HT250組成，拉伸強度≥250 MPa，機身硬度hbw185-230，總尺寸887mm×250 mm×113 mm，毛坯重量89 kg，鑄鐵壁厚不均勻，鑄鐵內腔結構復雜，鑄件加工難度大，鑄件廢品率高。

(1)汽缸蓋鑄造特點：腔體結構形成復雜，水洞砂芯基本為液態金屬包裹，作為固定支撐的工藝砂芯，砂隙較小，在鑄造過程中，由于浮力結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，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生氣體而不能排出，侵入鐵液，使鑄件產生氣孔。

(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，縮松缺陷極易產生。

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

2鑄造工藝

2.1砂芯設計

汽缸蓋結構決定復雜的鑄造工藝。考慮上、下排芯的特點，要求其鑄造性能高。采用低抽氣量、高強度的熱軋砂芯，其余為冷砂芯，以防止鑄后熱變形和斷裂。

2.2鑄造工藝

用側澆方法，將2個鑄件放在一個箱體內，從鑄件底處進水，提高了產品產量和生產效率。澆注系統全封閉，澆注系統各部件的橫斷面比為=1.3∶1.2∶1。澆鑄過程中，鐵液的流動速度逐漸加快，可使其迅速流入型腔，減少鑄件冷隔的危險。按產品壁厚計算，鑄件溫度為1400～1420℃。通過試驗，在此溫度下，鑄件無冷隔缺陷，且無鑄造溫度較低的缺陷。

3缺陷和問題分析

3.1氣孔類

氣孔原因：氣孔原因復雜，例如，砂芯排空過多，砂芯排空不暢，型砂含水量高，型砂透氣性差，鑄鐵時被卷入氣體中，鑄鐵液凝固時析出氣體，鑄鐵液充填后發生反應產生氣體。對現有缸蓋上產生的氣孔進行分析，有侵入型、卷入型和析出型3種。

(1)侵入性氣孔。鑄件中含水率過高，砂抽氣量過大或透氣性差，或砂芯排氣性差，造成氣體強行進入鐵液，不能及時排出，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，充模時鐵液中含氣，氣孔在凝固前無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，無法及時將氣體與鑄件分離，從而形成制取的氣孔。

3.2砂眼類

在鑄造過程中，砂眼是常見的廢品之一，但其形成過程較為復雜。通過對鐵液從鑄造廠流入鑄造廠的全過程進行砂眼缺陷分析，發現任何接頭處的砂眼均可由不同因素引起。

鑄型緊實度對砂眼的影響：鑄型是鑄件的關鍵部件，鑄型致密度不足或在鑄件的氣化系統中不夠致密，會導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，例如鑄型的密實度；二是外來土地造成的鐵砂孔，主要是鑄型上的疏松砂和砂塊未清理干凈，使雜質包裹在鐵液中形成砂眼。

鑄件溫度、流量對砂孔的影響：如果鑄件溫度過高，鑄件粘結劑就會燃燒，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，沖刷太多，容易導致澆注系統砂子沖入模具，形成砂眼。

4鑄造工藝優化

澆注系統主要針對的是砂孔、氣孔和堆芯嚴重沉降等質量問題。改良前的結構如下：直澆道∶橫澆道∶內澆道=1.3∶1.2∶1，全封閉澆注系統。鑄件后端的鐵液流量大，對型鋼澆注系統具有局部頂出效應。在同一澆注系統內，型砂容易被沖刷掉。若因鐵液流量大而到達鑄造室，鐵液噴入鑄造室時還容易吸入氣體，同時又容易穿透鑄造室砂芯，導致砂芯破裂或塌陷。

由于鐵液在鑄型中流動時，由于鐵液壓力增大，鐵液流速增大，使得鑄型加劇，使得內澆道砂型松散脫落，從而造成鑄型內澆道內澆道內澆道內灌滿鐵液后，形成砂眼。產生氣孔的主要原因是當鐵液通過內澆道進入鑄型時，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生燒結、斷芯現象，造成水腔水道不通，水腔無法清理，使后處理毛坯工作量大，耗費大量人力、物力，同時不能保證缸蓋內腔的潔凈度，給發動機造成嚴重的質量隱患。

分析了存在的問題，主要從優化澆注系統、改進后澆注系統的截斷面積比例、直澆道∶橫澆道∶內澆道=1.3∶1.2∶1.35等方面加以改進。優化澆注系統，增加內澆道進液量，將鐵液阻流點轉移到橫向澆注，減小了鐵液速度和鐵液沖刷型腔的力，減少了砂眼的產生。內澆道增大，液流速度減小，在鑄件加工過程中，鐵液不出現噴射現象，減少了氣體的卷入，同時又不沖向水腔砂芯，降低了水腔砂芯燒結后斷芯的質量問題。

經改進的鑄造工藝，于2019年6月-2020年6月試制加工890件，僅有10件螺絲孔報廢，主要是鑄件的氣孔缺陷，廢品率為1.12%，質量成本大幅度降低。

5結語

對澆鑄系統進行了優化，改變了鐵液填料方式，減緩了鐵液流速，降低了氣孔率；在此基礎上，通過調整孔型系統中各單元的比例，可以控制鐵液流量，減少鐵液對孔型系統的侵蝕，從而降低漏砂。通過改變澆鑄系統各單元的比例，優化澆鑄系統，減緩鐵液進入型腔的速度，減少鐵液對水洞砂芯的侵蝕，減少水洞砂芯的澆鑄和燒結，從而提高產品的產量和潔凈度。