2薄壁高强度高集成度蠕铁缸盖的铸造

1、薄壁高强度、高集成度蠕铁缸盖的铸造生产工艺研究及应用东风汽车有限商用车公司铸造一厂 喻平、许克池【摘要】本文主要论述了薄壁高精度蠕铁缸盖铸造工艺的确定，以及在生产中出现的一些问题、原因分析及其解决措施，总结出了一些生产经验，为类似铸件的生产提供了借鉴方法。【关键词】薄壁高精度 蠕铁 缩松 冷隔 浇注系统 凝固模拟 一、前言为了满足日益提高的用户需求和法规要求，东风汽车有限公司商用车公司开发了一款新型发动机，该发动机缸盖为蠕墨铸铁材质。作为生产发动机缸体、缸盖毛坯的专业厂，东风汽车有限商用车公司铸造一厂承担了缸盖毛坯的开发任务，该项目开发能否按期顺利完成，关键在于是否及时有效地分析、解决好生产过

2、程中存在铸造缺陷。二、零件的铸造工艺性分析该缸盖为四缸四气阀缸盖，外形尺寸为946×267×145，重约94Kg，主要壁厚5.5mm，材质为RuT350。铸件加工后，在一定压力下无泄露，因此是典型的薄壁、高强度、高致密性铸件。从铸件结构上看，水套为上、下两层结构，长而单薄，最薄处仅3mm，缸盖整个形状由13个砂芯组成，喷油孔一周形成结构热节，铸件外形结构见图1。该缸盖特点如下：集成度高、结构紧凑及轻量化设计、薄壁高强度。每缸四气门，喷油器中置，凸轮轴顶置，双层水套结构；鉴于以上特点，铸造难点如下：1. RuT350材质：与HT相比铸造工艺性差；容易产生缩松、缩孔缺陷；容易产

3、生气孔、夹渣等缺陷；2. 由于其强度高、韧性大，去浇冒口很困难及飞飞边、毛刺等不易清理，水套、进排气道等内腔毛刺不易去除，基体含有铁素体，硬度低，铸件容易产生磕碰伤；3 水套砂芯的结构特点导致其定位和制芯困难，容易出现水套砂芯定位不准和烧结等问题.；4. 铸件孤立热节多导致补缩困难，容易出现缩孔、缩松等缺陷；5. 铸件壁薄，且壁厚不均匀，蠕铁的流动性较差，容易出现冷隔、浇不足等铸造缺陷；6. 齿轮室和凸轮轴腔集成在缸盖铸件上，对铁水的流动场分布影响严重。三、铸造工艺设计 1、确定整体铸造方案为了顺利完成该产品的开发工作，我们曾在类似产品上进行了多种浇注方案的试验，见下表工艺方案优点缺点底注充型

4、平稳；排气较畅通补缩困难；单薄的水套砂芯要承受高温铁水冲击、烘烤和浮力作用；容易出现冷隔、浇不足等缺陷；冲砂严重；缸底面材质性能较差。侧注浇冒口布置简单；排气较畅通补缩相对困难；温度场分布不合理；充型不平稳；易出现冷隔、浇不足等缺陷；材质分布不均匀。顶注温度场的分布便于补缩；铁水压头持续时间长，气体不容易侵入铁水中；蠕铁的流动性较差，不易出现冷隔、浇不足等缺陷；缸底面材质性能较好。铁水对型壁和砂芯的冲击力较大；浇注不够平稳；砂芯排气系统开设较困难。表1从试验情况来看，蠕铁缸盖难点主要是材质、充型、气缩孔、气孔和砂渣眼问题。底注充型很困难，同时补缩效果差，冲砂严重，不可取。侧注效果相对于底注有明

5、显的改善，但也同样存在补缩效果不理想、材质分布不均匀和控制难度大的问题。而底注虽然存在浇注不够平稳等问题，但通过合理的浇注系统的开设，取得了较理想的效果。基于以上试验和分析，该缸盖确定采用底注的浇注工艺方案。2、确定浇注位置采用顶注工艺方案可以用热冒口对铸件的厚大部位进行补缩。该铸件的结构特点是：靠进气侧有螺栓孔和高压斜油孔（见图1），排气侧面是凸轮轴腔壁。厚大部位集中在进气侧，浇注位置在进气侧有利于用热冒口补缩，浇注位置选在进气侧边。高压油孔和螺栓孔 图13、设计浇冒口系统考虑到顶注时铁液会冲击砂芯表面，而引起飞溅、散流、带进砂粒、浇注不平稳和冲蚀涂料层等问题，决定采用压边浇注，铁液从铸件厚

6、大部位注入，必然加大该处热节及热节高温持续时间长，采用压边冒口的浇注方案。这样压边冒口的设计和冒口颈的设计显得尤为重要。经过设计计算、模拟分析和生产验证，最终冒口和冒口颈的形状尺寸如图2。压边冒口颈压边冒口 图2 铁液过滤 铁液在进入压边冒口前，必须充分的进行挡渣，同时要求防止卷气和浇注平稳，尽量减少铁液对型腔的冲击。采用先进行两次封闭后开放的浇注系统，铁液进行一次过滤，两次挡渣，进入压边冒口时处于开放状态。按照以前生产缸盖的经验、设计计算和模拟分析，浇注系统形状尺寸如图3。开放二次封闭一次封闭二次挡渣一次挡渣 图3顶注的优势是有利于补缩，用顶置冒口对铸件的厚大部位补缩。远离内浇口的凸轮轴腔壁

7、结构单薄，且壁厚不均，采用溢流冒口来收集冷铁水，同时也保证该处的静压头，使厚大部位不出现缩松和有利于气体的排出。图4。溢流冒口补缩冒口图4 浇冒口系统设计完后，应用同步工程对铸件进行CAE分析。应用铸造凝固模拟软件和已获取的三维数据对缸盖的铸造过程进行模拟。充型过程模拟铁水在浇注过程中铁水的流动方向和速度情况及气体压力情况，从而预测铸件可能出现的砂眼、气孔和渣眼等缺陷。通过模拟铸件的凝固温度场变化，预测铸件缩松倾向及发生部位。如图5所示为模拟充型效果，图6、图7、图8所示分别为凝固模拟、缩松部位和冲击力模拟结果。图5：充型模拟 图6：凝固模拟图7：缩松缩孔模拟图8：冲击力模拟该缸盖模拟初步结论

8、：从充型过程的各种模拟结果(充型色温、充型速度、充型压力、粒子示踪、型壁冲击力）来看，充型比较平稳，没有明显的负压与紊流、充型过程温降适中、浇注系统的设置有利于集渣、铸件型腔内型壁冲击力较小。从凝固过程的模拟结果来看，铸件总体凝固次序较好，在凝固过程局部出现了一定孤立液相，这些部位在后续凝固有缩松倾向，具体见缩松缩孔的分布（缩孔总量为: 0.30cc，缩松总量为: 274.89cc）。总体来说，该方案基本可行，铸件内部有缺陷，但相对较小。 4、砂芯的设计砂芯主要由顶盖芯、上、下水套芯、进、排气道芯、齿轮室芯、主回油道芯和回油道芯组成，共13个砂芯，分10种。其中顶盖芯、进、排气道芯、齿轮室芯、

9、主回油道芯和回油道芯结构相对简单，对砂芯强度等没有特殊要求，因而其砂芯采用冷芯工艺。但上、下水套芯结构单薄，因而砂芯必须具有较高的常温、高温强度和很高的致密性，而高强度覆膜砂芯这一性能均优于冷芯，因而采用热芯覆膜砂工艺是一个较好的选择，这样可以改善因砂芯强度低产生断芯等缺陷。如图9 图9：砂芯结构5、砂芯排气系统设计用覆膜砂制芯的水套砂芯，充型完成后，几乎完全处于铁水中，基于其发气量偏大和发气速度较慢的特点，排气通道必须畅通。而顶注工艺和顶面芯的存在，使封火和通道的开设更加困难。设计采用两次石棉垫封火，砂芯钻孔作为排气通道。如图10封火垫片排气通道图10：水套砂芯的排气四、生产验证2010年8

10、月份开始生产验证，先后进行工艺工装调试近4轮次，验证过程中存在的主要问题是喷油嘴处气缩孔、冷隔和砂芯定位困难等问题。1、原因分析及采取的改进措施效果1.1 喷油嘴处气缩孔铸件解剖后喷油嘴跟部不同程度的出现缩孔、缩松缺陷。见图11图11：缩孔、缩松 原因分析：喷油嘴心部处于铸件中央，散热条件差，凝固缓慢。而原设计是依靠压边冒口进行补缩，补缩通道不畅通。当补缩通道封闭后，由于铁液的收缩而形成负压，砂芯所发出的气体突破界面张力而进入其中，形成了气缩孔。解决措施： 优化产品结构，取消喷油嘴处的铸孔。如图12图12 喷油嘴上面增设发热保温冒口。如图13图13 改进后的效果：以上措施实施后，喷油嘴心部的缩

11、孔、缩松完全消失。如图14 图141.2齿轮室腔壁冷隔冷隔出现在齿轮腔远离内浇口处。如图15 图15原因分析：充型过程中，铁液需要绕过齿轮室砂芯，而该处又是铁液最后到达的区域，且齿轮腔平均壁厚只有5mm。造成该处有大量的冷铁水滞留，铁液流动缓慢，形成了波纹壮的冷隔形态。解决措施：在分盒面和齿轮腔上面同时增设溢流冒口。如图16图16改进后的效果：以上措施实施后，该处没有出现过冷隔缺陷。1.3上水套芯偏上水套芯的结构特点导致其定位困难，在铁液的冲击下，容易移动。铸件加工后，壁厚不够，甚至出现黑皮。原因分析： 铸件结构特点导致上水套砂芯定位困难； 砂芯在铁液热作用下，受热膨胀，四周只有两个方向有芯头，另外两个方向处于自由状态，在膨胀过程中，必然向没有芯头的两方向膨胀。如图17图17鉴于此，针对上水套芯偏，采取如下措施：Ø 改进一出芯头配合方式；如图18Ø 增设辅助定位芯撑；如图19图18 图19改进后的效果：采取上述措施后，上水套断芯定位不准的问题