低压缸盖(1.3L)铸造工艺改进

(整期优先)网络出版时间:2018-01-11
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低压缸盖(1.3L)铸造工艺改进

杨文忠

(哈尔滨东安汽车动力股份有限公司,黑龙江省哈尔滨市150066)

摘要:本文从低压缸盖(1.3L)的生产工艺和结构特点,分析了铸件生产过程中的缺陷机理,从铸造条件、模具排气、模具冷却等方面,给出改善对策,达到降低不良率的目的。

关键词:气缸盖铸造缺陷

1低压缸盖(1.3L)铸造工艺简介

低压缸盖(1.3L)为双置顶凸轮轴结构,净重9.8㎏,外形尺寸399㎜×240㎜×116㎜,使用AC4B合金,低压铸造,四浇口充型。砂芯包括水套芯、进排气芯和油池芯。

低压发动机是采用了“减摩”的技术及紧凑化轻量化的结构设计,市场前景广阔。随着K系列发动机逐渐退出市场,低压发动机的产量逐渐提高,优化铸造工艺、降低产品不良率变得迫在眉睫。

2主要铸造缺陷成因及对策

2.1欠铸。带有油池芯结构的排气问题一直是铸造的一个难点,由此产生的欠铸问题是生产初期的主要废品缺陷。

解决“憋气”问题主要从两方面考虑,少发气和及时排气。

2.1.1少发气。受产品结构限制,油池芯采用的是底模预铸销支撑的定位方式,浇注过程中油池芯完全被铝水包围,没有芯头排气。因此油池芯的固化至关重要。从试验结果看,油池芯固化时间控制在90s以上,可有效的减少砂芯发气、延长模具使用周期。

如果产品结构允许的话,油池芯最好采用外挂式定位方式,优点是:砂芯可以通过芯头向外排气以及避免支撑预铸销弯曲造成的尺寸变化。

2.1.2排气:除了控制发气外,将产生的气体及时排出是另一个重点。

2.1.2.1油池芯排气。我们将上型四处顶杆孔改为排气塞孔,同时在上型与油池芯配合处增加16处排气塞,增加排气通道。

我们还试验过对油池芯进行“抽气”处理。用一根铁管穿过上型,插入油池芯中,在浇注过程中通过负压原理对油池芯进行“抽气”。这种方案可以起到排气效果,但对位置尺寸的要求比较高,对抽气管路与油池芯的配合间隙要求也很高,间隙太小则产生掉砂缺陷、间隙太大则钻铝将排气管堵塞。由于试验过程中排气管频繁堵塞,该方案未能实施,要想使用该方案,还需要做进一步的工作。

2.1.2.2进排气芯排气。进排气芯芯头位置的排气设计,最初为四个Φ6mm排气塞,排气区域小、易堵塞,效果差;后更改为长条形的排气塞,增加排气效果。

2.1.2.3水套芯排气。最初设计的模具,水套芯没有的排气位置,完全被铝水包围,浇注中产生的气体无法及时排出。后在水套定位芯头处增加Φ26mm排气塞,加强排气效果。

2.1.2.4上型水冷铜板排气效果改进。浇注过程中产生的气体,通过先后上型排气塞和水冷铜板排出,在通过水冷铜板时,由于铜板的冷却作用,气体冷却变成“油烟”,顺着排气塞孔回流,很快将排气塞堵塞,使其失去作用。

为此我们将水冷铜板的中间部分掏空,使排气塞暴漏出来,排出的气体可以直接排出而不会回流。经试验证明,该措施非常有效,模具的生产周期由不足两天提升至四天。

经过上述改进,到2011年九月份欠铸废品不良率由4.23%降至0.2%以下,效果显著。

2.2芯碎。低压缸盖的水套芯结构比较复杂,细薄位置多,容易产生芯断废品。经过统计,芯碎废品也确实都是水套芯断。该水套芯共有32处芯爪,操作者自检比较困难,容易将芯爪缺失的水套漏检,产生废品。经过进一步的统计发现,水套芯断集中在七处位置,操作者只需对此七处点检就可以,大大减少了操作的难度。因此我们要求清芯操作者对此七处位置进行点检,浇注操作者下芯前再次确认;同时增大了水套芯爪根部的R角。该措施实施后,芯断废品的比例由3.63%降至0.14%,效果显著。

2.3扒铝。初生产时,模具的扒铝情况非常严重,集中在燃烧室边沿(图11),甚至于附近的浇口也有扒裂纹的情况。开始采取的措施是加大燃烧室和浇口的出模斜度,但没有效果。

经过细致的分析发现,底模的出模斜度设计的有问题。底模的出模斜度最初统一设计为2°,一般的低压模具这种设计是合理的。但由于低压缸盖特殊的产品结构,受模具分型限制,前后侧和左右侧的底模深度差距较大,造成出模时前后及左右受力不均与,缸盖发生倾斜。将进气侧出模斜度增大至3°,缸盖出模时左右受力均匀,扒铝现象消失。

2.4气性。经过复查分析发现,目前低压缸盖的气性废品主要有三种原因造成:油池塞片孔毛边影响打压封严、后端面油路孔毛边影响打压封严、油池下沉后壁厚不足造成的油池面渗漏。

2.4.1塞片孔毛边导致的渗漏。塞片孔最初的设计方案是水套芯插入油池芯中,形成塞片孔;这种方案的缺点是空的四周留有竖起的毛边,由于该处在油池腔内,无法清理,打压时影响封严。后将方案更改为水套芯和油池芯平面接触,毛边也是平的,方便清理且不会影响打压。

2.4.2端面油路孔毛边导致的渗漏。端面油路孔最初的设计是由砂芯形成的,油路孔边缘留有竖起的毛边,而周围平面是不加工的,因此要求清理的标准比较高,留有毛边就会影响打压封严。后对模具结构进行改进,此孔由金属型形成,分型改在里面,即使留有毛边也不会影响封严,很好的解决了这一问题。

2.4.3油池面渗漏。我们对油池面渗漏的缸盖解剖后发现,渗漏位置的壁厚不足4mm,与产品定型时的情况不一致;经过仔细确认后发现,油池芯定位的预铸销发生弯曲,油池芯下沉,壁厚不足导致渗漏。

针对这种情况,要求模具准备时100%检测铸销长度,生产过程中用检具检测预铸销是否倾斜,同时适当增加油池面壁厚,基本杜绝了这种情况。

2.4.4进气面小循环加工孔与水套不通。该产品进气面设计有小循环小循环,通过深度60mm、直径Φ6mm的加工孔与水套相同,然而该设计过于理想化,没有考虑铸造工艺的因素。贯通区域只有1mm左右,过于理想化,很难实现;水套芯该处壁厚不足2mm,很难成型,部分成型的砂芯强度也很低,浇注时折断,造成加工时无法贯通;对加工贯通的件剖切后发现,贯通区域很小,达不到循环的目的。

与设计部门沟通后,对产品结构作了如下更改:减小安装孔局部壁厚,将贯通区域增加至3.4mm;将水套芯壁厚增加至3mm;更改后,机加后的贯通区域明显增加,达到小循环的目的。

经过上述改进,气性废品的比例由1.51%降至0.71%。

2.5浇口缩。低压缸盖结构比较对称,设计时采用四浇口充型,相对于两浇口的产品,四浇口更加有利与充型及补缩,铸件的热平衡更好也更容易控制。从理论上讲会很好的解决浇口缩松和安装孔缩松问题。

然而生产过程中发现,低压缸盖也存在浇口缩松的情况,而且废品比例较高。统计后发现,缩松的位置全部集中在进气侧的两个浇口。对产品结构分析后发现,进气侧两浇口的上方为Φ20mm、高57mm的实体部分,结构厚大,凝固速度慢,容易产生缩松缺陷。

后期将保压时间由270s延长至300s,增加浇口位置的凝固时间,浇口缩松的比例由1.05%降至0.3%以下。

为进一步降低浇口缩松的比例,目前我们设计了进气侧加冷却的方案,通过对进气侧浇口上方增加冷却,加快其凝固速度,增强浇口的补缩效果,减少缩松缺陷。目前该方案正在模具改进过程中,预计会有很好的改善效果。

3结论

上述改进措施实施后,低压缸盖(1.3L)的铸造不良率由四月份的14.78%降至九月份的1.43%,效果显著。在此次改进过程中,有以下几点需要关注:1)设计人员在进行产品设计时往往只注重其使用性能,对铸造工艺性能考虑很少。而产品结构恰恰是影响铸造工艺最重要的因素,因此产品设计时要跟发动机设计人员多沟通,在不影响产品性能的前提下,改进产品结构,改善铸造工艺。2)模具设计时不能生搬硬套相似产品的经验,要根据具体产品的结构特点,选择合适的分型方式及出模斜度。3)模具设计前要加强FMEA的分析,选择合适的铸造工艺方案,减少后续的反复修理。