基于计算机辅助设计的柴油机汽缸盖铸造工艺优化

郭业雄

(广西嘉德机械股份有限公司，广西 玉林 537000)

1汽缸盖性能要求

该汽缸盖由HT250组成，拉伸强度≥250 MPa，机身硬度hbw185-230，总尺寸887mm×250 mm×113 mm，毛坯重量89 kg，铸铁壁厚不均匀，铸铁内腔结构复杂，铸件加工难度大，铸件废品率高。

(1)汽缸盖铸造特点：腔体结构形成复杂，水洞砂芯基本为液态金属包裹，作为固定支撑的工艺砂芯，砂隙较小，在铸造过程中，由于浮力结合及高温下砂芯难以固定和排出，砂芯容易断裂，造成砂芯流动，铸件穿孔破坏。铸件的排气量太小，容易造成铸件在高温下产生气体而不能排出，侵入铁液，使铸件产生气孔。

(2)铸件的壁厚差别很大。厚壁比薄壁厚6～7倍。尤其喷嘴安装的壁厚非常大。铸件容易形成热块，缩松缺陷极易产生。

(3)汽缸盖应致密紧凑。复合内腔与不能互相逃逸的气体、水和油孔相结合。这样不但要求材料致密性高，而且要求铸件的内腔透气性和其他部位不出现吸砂、吸渣、气孔等缺陷。

2铸造工艺

2.1砂芯设计

汽缸盖结构决定复杂的铸造工艺。考虑上、下排芯的特点，要求其铸造性能高。采用低抽气量、高强度的热轧砂芯，其余为冷砂芯，以防止铸后热变形和断裂。

2.2铸造工艺

用侧浇方法，将2个铸件放在一个箱体内，从铸件底处进水，提高了产品产量和生产效率。浇注系统全封闭，浇注系统各部件的横断面比为=1.3∶1.2∶1。浇铸过程中，铁液的流动速度逐渐加快，可使其迅速流入型腔，减少铸件冷隔的危险。按产品壁厚计算，铸件温度为1400～1420℃。通过试验，在此温度下，铸件无冷隔缺陷，且无铸造温度较低的缺陷。

3缺陷和问题分析

3.1气孔类

气孔原因：气孔原因复杂，例如，砂芯排空过多，砂芯排空不畅，型砂含水量高，型砂透气性差，铸铁时被卷入气体中，铸铁液凝固时析出气体，铸铁液充填后发生反应产生气体。对现有缸盖上产生的气孔进行分析，有侵入型、卷入型和析出型3种。

(1)侵入性气孔。铸件中含水率过高，砂抽气量过大或透气性差，或砂芯排气性差，造成气体强行进入铁液，不能及时排出，从而形成侵入性气孔，是造成侵入性气孔的主要原因。

(2)卷入性气孔。铸造体系不合理，充模时铁液中含气，气孔在凝固前无法消除是造成气孔粘连的主要原因。

(3)析出性气孔。随熔化温度的降低，气体在铁液中的溶解性下降，无法及时将气体与铸件分离，从而形成制取的气孔。

3.2砂眼类

在铸造过程中，砂眼是常见的废品之一，但其形成过程较为复杂。通过对铁液从铸造厂流入铸造厂的全过程进行砂眼缺陷分析，发现任何接头处的砂眼均可由不同因素引起。

铸型紧实度对砂眼的影响：铸型是铸件的关键部件，铸型致密度不足或在铸件的气化系统中不够致密，会导致铁液坍塌或砂块侵蚀，最终在铸件中形成砂眼。

铸型清洁度对砂孔的影响：一是铸型本身掉砂造成的砂孔，例如铸型的密实度；二是外来土地造成的铁砂孔，主要是铸型上的疏松砂和砂块未清理干净，使杂质包裹在铁液中形成砂眼。

铸件温度、流量对砂孔的影响：如果铸件温度过高，铸件粘结剂就会燃烧，造成工具表面砂粒松散，并容易被铁液罐带入模具。若铁液流量太大，模具尤其是浇注系统，冲刷太多，容易导致浇注系统砂子冲入模具，形成砂眼。

4铸造工艺优化

浇注系统主要针对的是砂孔、气孔和堆芯严重沉降等质量问题。改良前的结构如下：直浇道∶横浇道∶内浇道=1.3∶1.2∶1，全封闭浇注系统。铸件后端的铁液流量大，对型钢浇注系统具有局部顶出效应。在同一浇注系统内，型砂容易被冲刷掉。若因铁液流量大而到达铸造室，铁液喷入铸造室时还容易吸入气体，同时又容易穿透铸造室砂芯，导致砂芯破裂或塌陷。

由于铁液在铸型中流动时，由于铁液压力增大，铁液流速增大，使得铸型加剧，使得内浇道砂型松散脱落，从而造成铸型内浇道内浇道内浇道内灌满铁液后，形成砂眼。产生气孔的主要原因是当铁液通过内浇道进入铸型时，形成了一种喷射状，使气体很容易被卷入铁液中，最终在铸件中形成气孔。由于砂芯形成水腔常发生烧结、断芯现象，造成水腔水道不通，水腔无法清理，使后处理毛坯工作量大，耗费大量人力、物力，同时不能保证缸盖内腔的洁净度，给发动机造成严重的质量隐患。

分析了存在的问题，主要从优化浇注系统、改进后浇注系统的截断面积比例、直浇道∶横浇道∶内浇道=1.3∶1.2∶1.35等方面加以改进。优化浇注系统，增加内浇道进液量，将铁液阻流点转移到横向浇注，减小了铁液速度和铁液冲刷型腔的力，减少了砂眼的产生。内浇道增大，液流速度减小，在铸件加工过程中，铁液不出现喷射现象，减少了气体的卷入，同时又不冲向水腔砂芯，降低了水腔砂芯烧结后断芯的质量问题。

经改进的铸造工艺，于2019年6月-2020年6月试制加工890件，仅有10件螺丝孔报废，主要是铸件的气孔缺陷，废品率为1.12%，质量成本大幅度降低。

5结语

对浇铸系统进行了优化，改变了铁液填料方式，减缓了铁液流速，降低了气孔率；在此基础上，通过调整孔型系统中各单元的比例，可以控制铁液流量，减少铁液对孔型系统的侵蚀，从而降低漏砂。通过改变浇铸系统各单元的比例，优化浇铸系统，减缓铁液进入型腔的速度，减少铁液对水洞砂芯的侵蚀，减少水洞砂芯的浇铸和烧结，从而提高产品的产量和洁净度。