鑄鐵缸體鑄造工藝及快速開發(fā)技術(shù)

鑄鐵缸體鑄造工藝及快速開發(fā)技術(shù)

為了降低對汽車的能源消耗和對環(huán)境的污染，汽車發(fā)動機的發(fā)展呈現(xiàn)出高效、低質(zhì)量的發(fā)展趨勢。目前絕大多數(shù)轎車缸體已采用鋁合金生產(chǎn)。但是對于卡車、越野車等使用的大功率發(fā)動機,鋁合金缸體還不能滿足其性能要求,因而仍然采用鑄鐵缸體。為了降低油耗,提高發(fā)動機單位質(zhì)量的功率,發(fā)動機缸體內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜,最小壁厚越來越薄,有的已經(jīng)降到3mm以下。隨著對發(fā)動機缸體要求的提高,對其鑄造技術(shù)、工藝和裝備的整體水平也提出了更高的要求:材質(zhì)強度高、均勻性好,鑄件尺寸精度、表面粗糙度要求也更加嚴(yán)格。但是目前我國在缸體鑄件質(zhì)量、生產(chǎn)技術(shù)和裝備水平方面與國外存在著很大的差距,國內(nèi)如一汽、哈東安等企業(yè)均采用進口的造型線,然而在鑄件質(zhì)量上卻仍然達不到國外的先進水平。因此,提高缸體的鑄造水平仍然是我國鑄造業(yè)的一個難點和重點。1鑄鐵板的制造1.1u2004灰鐵鑄件的材料性能要求目前鑄鐵缸體的材質(zhì)主要采用灰鑄鐵,而國內(nèi)各廠所用灰鑄鐵中常規(guī)五元素的含量范圍相差不大(質(zhì)量分?jǐn)?shù)):C3.0%~3.5%,Si1.8%~2.5%,Mn0.6%~0.9%,S<0.15%,P<0.15%。生產(chǎn)中,各廠家按實際生產(chǎn)條件和用戶要求來確定具體成分。近年來,由于載重汽車柴油機功率的提高,對材料性能要求也不斷提高,所用灰鐵牌號由HT250提高到HT300,甚至HT350。但這樣提高材料性能的一些措施往往加大了鑄件的收縮傾向,使廢品率過高。除常規(guī)五元素外,鑄鐵中通常還會加入少量合金元素,如:Cr、Cu、Mo、V等,這些元素通常起促進灰鑄鐵珠光體化的作用,它們使鑄件的強度和熱疲勞性能有所提高、壁厚敏感性降低,但同時鑄件縮孔和縮松傾向增大,因此需適當(dāng)提高碳含量和碳當(dāng)量。近幾年來,蠕墨鑄鐵開始在發(fā)動機缸體上大規(guī)模應(yīng)用。蠕鐵的強度和剛度分別比灰鑄鐵高75%和45%,疲勞強度幾乎是灰鑄鐵的兩倍。因此采用蠕鐵缸體制造的發(fā)動機不僅提高了使用壽命,同時尺寸穩(wěn)定,還降低了缸體質(zhì)量以減少尾氣的排放,目前在國外已經(jīng)有奧迪、福特、標(biāo)志、現(xiàn)代、沃爾沃等公司開始生產(chǎn)蠕墨鑄鐵缸體。據(jù)統(tǒng)計,蠕墨鑄鐵缸體的產(chǎn)量已從1999年的0臺增長到2010的100萬臺。1.2母乳喂養(yǎng)1.2.1沖天爐和其他焦?fàn)t的研究同樣的化學(xué)成分,熔煉工藝不同、配料不同,鐵液的冶金質(zhì)量完全不同。國外較先進的工廠生產(chǎn)灰鑄鐵件使用的合金量并不高,但材料的強度卻很高,切削加工性能也很好;在我國,雖然加入了大量的合金,材料的性能卻達不到國外水平,其根本原因在于熔煉技術(shù)和工藝落后。目前缸體鑄造所用的熔煉設(shè)備大多為沖天爐—感應(yīng)爐雙聯(lián)熔煉、感應(yīng)爐—感應(yīng)爐雙聯(lián)熔煉兩種,同時變頻感應(yīng)爐逐漸代替電弧爐作為保溫爐。為了節(jié)能和環(huán)保,部分廠家沖天爐采用水冷熱風(fēng)除塵沖天爐,用具有高發(fā)熱值的鑄造焦取代冶金焦以利于提高鐵液溫度,保證鐵液質(zhì)量,提高熔化效率。在國外較先進的工廠無論是電爐熔煉還是沖天爐熔煉,都大量使用廢鋼,幾乎不用生鐵。電爐采用增碳技術(shù),沖天爐采用高溫熔煉技術(shù),這樣就會獲得非常好的滲碳效果。1.2.2提升內(nèi)部灰鑄鐵性能缸體用灰鑄鐵主要采用爐前孕育處理,孕育劑通常采用75SiFe,用于改善石墨形態(tài)和材質(zhì)均勻性。但有研究表明,孕育處理不僅可以提高灰鑄鐵性能,還可以在一定程度上提高缸體的加工性能。劉偉明等通過研究指出:60%75硅鐵+40%稀土復(fù)合孕育處理的鑄件有較高強度,合適的硬度,具有理想的品質(zhì)系數(shù);20%75硅鐵+80%鍶復(fù)合孕育處理的鑄件對加工刀具磨損很小,具有良好的加工性能。1.3砂芯精度要求高汽車發(fā)動機鑄鐵氣缸體屬典型的薄壁復(fù)雜件。其砂芯對尺寸精度要求高,經(jīng)氣密性試驗不得有滲漏現(xiàn)象,以及鑄件不得有夾渣、砂眼、氣孔、裂紋類缺陷。因而其鑄造工藝非常復(fù)雜且要求極為嚴(yán)格。1.3.1沖造型線及型砂目前生產(chǎn)鑄鐵缸體主要是采用濕型砂鑄造工藝,通常選用樹脂砂作為型砂。在造型方面,現(xiàn)在幾乎均采用全自動的生產(chǎn)線。造型線主要有以下三種:KW造型線、靜壓造型線、氣沖造型線。其中應(yīng)用最廣的是靜壓造型線和KW造型線,設(shè)計生產(chǎn)能力均在110~120型/h。這兩種造型線具有耗能低、噪音小、效率高、運行可靠等特點。國內(nèi)如一汽、東風(fēng)、上汽等企業(yè)均采用了國外進口的造型線,其工藝先進,鑄件質(zhì)量穩(wěn)定。在型砂方面,目前絕大多數(shù)企業(yè)以呋喃樹脂砂作為型砂。如國內(nèi)某企業(yè)采用圣泉集團A+B呋喃樹脂固化劑新工藝,其中A為高酸固化劑,B為低酸值固化劑,A+B呋喃樹脂固化劑自控儀能根據(jù)砂溫的高低調(diào)節(jié)A和B的加入量,使固化時間恒定,從而保證樹脂砂的強度和生產(chǎn)效率。1.3.2機械制芯工藝缸體是采用砂芯最多的鑄件,其中水套砂芯結(jié)構(gòu)獨特,形狀怪異,因而芯盒的填砂、取芯都較為困難。目前國內(nèi)外流水線大量生產(chǎn)缸體類鑄件常用的制芯工藝有三種:冷芯盒法、溫芯盒法和熱芯盒法。在工業(yè)發(fā)達的國家,以熱芯盒法應(yīng)用最多,其制芯手段也基本實現(xiàn)了機械制芯。采用熱芯盒法機械制芯具有砂芯尺寸精度高、表面質(zhì)量好、效率高等優(yōu)點,它不僅提高了發(fā)動機的質(zhì)量,也為高強度薄壁件的生產(chǎn)創(chuàng)造了良好的條件。由于砂芯種類、數(shù)量太多,其結(jié)構(gòu)設(shè)計也多種多樣,因此只將結(jié)構(gòu)最為典型的曲軸箱砂芯、頂蓋砂芯、水套砂芯的生產(chǎn)作簡要介紹。其工藝結(jié)構(gòu)方式見表1。1.3.3砂處理工藝及舊芯砂再生利用技術(shù)國內(nèi)對型砂回收比較重視,每家企業(yè)都有砂的回收系統(tǒng)。在大量流水生產(chǎn)條件下,砂處理工藝對對鑄件質(zhì)量和產(chǎn)量至關(guān)重要。國內(nèi)主要生產(chǎn)廠家大都從國外進口了砂處理系統(tǒng)。如上海通用、煙臺動力、哈東安、安徽奇瑞等采用塔式結(jié)構(gòu)的砂處理單元,使用高效混砂機,舊砂冷卻系統(tǒng)以及計算機控制系統(tǒng),將舊砂破碎、磁選、篩分、增濕冷卻、輔料定量、混砂等工藝布置在24m×24m×25m左右的空間內(nèi),這也是目前國外較先進的砂處理布置形式。但是在芯砂方面,目前國內(nèi)做的還很少,只有為數(shù)不多的企業(yè)采用舊芯砂再生回用。對于舊芯砂的再生回用一般采用熱法再生,硅砂經(jīng)焙燒相變后,高溫膨脹率大為下降;用這樣的再生砂來制芯,比新硅砂更能保證鑄件質(zhì)量,再生砂的使用也降低了生產(chǎn)成本。1.3.4銘文系統(tǒng)目前應(yīng)用較普遍的并具有一定代表性的澆注工藝,按內(nèi)澆道位置不同,大致可分為4種方案:底注式、頂注式、階梯式和中注式,其特點見表2。1.4質(zhì)量控制與缺陷分析1.4.1次落砂清理缸體鑄件一般在澆注后1~1.5h后再開箱落砂,鑄件在落砂后一般在料箱中繼續(xù)冷卻一段時間,再進行第二次落砂。二次落砂主要目的在于清除鑄件內(nèi)腔中的芯砂。二次落砂非常重要,否則水套及油道等處砂芯很難落干凈,這將直接影響到鑄件質(zhì)量和使用。二次落砂主要是采用鼠籠式拋丸清理機清除內(nèi)腔中的殘留物,有的企業(yè)還輔以高壓水沖洗內(nèi)腔。目前缸體鑄件去除澆冒口后,在清理線上磨各面,然后經(jīng)鼠籠式拋丸清理機清理已是一種常規(guī)工藝。其工藝流程如圖1。1.4.2進行金相組織、化學(xué)成分以及氣密性試驗缸體的質(zhì)量檢測主要有兩個方面:一方面是對鑄件的尺寸精度、外形質(zhì)量的檢驗,并檢測鑄件各個部位是否存在不允許存在的鑄造缺陷;另一方面是檢測鑄件的金相組織、化學(xué)成分以及力學(xué)性能等。此外,在缸體機加工后還應(yīng)該對缸體進行氣密性試驗。氣密性檢測方法主要有水壓試驗和氣壓試驗。而國內(nèi)主要采用的是水壓試驗,國外主要采用的是氣壓試驗。氣壓試驗與水壓試驗法相比,更加可靠,可以大幅度降低氣缸體使用過程中的漏油現(xiàn)象,大大降低發(fā)動機的返修率。工廠中采用的檢測儀器和用途見表3。1.4.3氣孔的產(chǎn)生和來源氣孔、縮松、縮孔、夾雜、裂紋是缸體類鑄件的常見鑄造缺陷。其中,氣孔是最嚴(yán)重也是缸體廢品中最常見的缺陷。氣孔的種類主要有析出式氣孔、反應(yīng)式氣孔和侵入性氣孔。不同種類氣孔產(chǎn)生的原因也不相同,因此氣孔的來源是多種多樣的。主要有:金屬液自身析出的氣體,砂芯、涂料、型砂遇高溫產(chǎn)生的氣體,金屬液進入鑄型時卷入的氣體。在改善缸體毛坯氣孔時主要從以下幾個方面入手:(1)降低型砂和砂芯的發(fā)氣速度和發(fā)氣量;(2)增加砂芯和砂型排氣通路;(3)改進澆注系統(tǒng),使金屬液能夠平穩(wěn)充型;(4)提高冶金質(zhì)量。1.5快速缸三維建模技術(shù)對于缸體類復(fù)雜鑄件的開發(fā),傳統(tǒng)模式下從初期研發(fā)到最終確定生產(chǎn)工藝方案通常需要一兩年的時間,但是隨著計算機性能的不斷提高和CAE軟件的不斷發(fā)展,運用CAD/CAE/CAM并行工程、虛擬制造和先期產(chǎn)品質(zhì)量策劃等現(xiàn)代技術(shù)和方法進行缸體鑄件的開發(fā)僅僅需要三個月就能完成,并且成品率得到大幅度的提高。這樣不僅加快了缸體的開發(fā),使產(chǎn)品能夠迅速大規(guī)模生產(chǎn)并快速占領(lǐng)市場,還降低了缸體的開發(fā)成本?，F(xiàn)代快速缸體開發(fā)流程如圖2所示。在缸體的設(shè)計中根據(jù)客戶提供的二維工程圖樣和相關(guān)資料,在短時間內(nèi)即可采用參數(shù)化設(shè)計軟件Pro/E、UG進行快速三維建模。在三維鑄件模型基礎(chǔ)上進一步建成所需的砂芯、砂型、澆注系統(tǒng)的三維基本模型。在采用參數(shù)化設(shè)計時,鑄件模型的更改可以同步反應(yīng)到砂芯等其他模型的變化,避免了由于鑄件模型變更而產(chǎn)生的差錯。在生成各模塊的三維模型后,可以根據(jù)這些三維模型建成相應(yīng)的模具模型,包括上下砂型、芯盒本體及芯盒總裝配模型。三維模具模型建成后直接由三維軟件生成加工數(shù)據(jù)用于數(shù)控加工,以保證模具的制造精度。三維模型非常直觀地反映了模具的具體形狀和結(jié)構(gòu),并且工藝更改結(jié)果能快速在模具上直觀的體現(xiàn),使工藝設(shè)計和模具設(shè)計部門能夠方便的溝通和協(xié)調(diào)。目前主要使用ProCAST軟件進行鑄造過程的模擬,它可以進行縮孔縮松、裂紋、沖砂、冷隔、澆不足以及模具壽命的預(yù)測等。它還可以進行鑄造過程中裹氣的模擬,直觀地顯示出充型凝固的溫度場分布、溫度梯度、金屬液流動行為、熱節(jié)部位、縮松縮孔等。針對模擬結(jié)果我們可以對鑄造工藝進行修改,不斷優(yōu)化鑄造工藝,提高鑄件質(zhì)量。2快速缸鑄造技術(shù)的應(yīng)用展望綜上所述,近來汽車用鑄鐵缸體取得了很大進步,主要體現(xiàn)在以下幾個方面:(1)采用高強度鑄鐵,減輕了缸體的質(zhì)量,有效提高了缸體單位質(zhì)量的輸出功率;(2)采用水冷熱風(fēng)除塵沖天爐,實現(xiàn)了節(jié)能減排的目標(biāo);(3)隨著快速缸體開發(fā)技術(shù)的廣泛應(yīng)用,不僅縮短了研發(fā)周期,降低了研發(fā)成本,還提高了鑄件質(zhì)量。不難預(yù)測,快速缸體開發(fā)技術(shù)在未來必將得到進一步的發(fā)展,并且將會有更多的鑄鐵缸體采用如H