排气管与气缸盖连体式消失模铸造工艺

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一、柴油机气缸盖结构及材质特点
    柴油机是用柴油作燃料的压缩点火式发动机。柴油机工作时，吸入柴油机气缸内的空气，因活塞的运动而受到较高程度的压缩，达到500～700℃的高温，用喷油泵和喷油器将燃油以高压喷入气缸，喷入的燃油呈雾状，与高温空气混合形成可燃混合气，自动着火燃烧。燃烧中释放的能量作用在活塞顶面上，推动活塞并通过连杆和曲轴转换为旋转的机械功。
    排气管和气缸盖是柴油发动机的两个关键性零部件，本文研究的排气管是铸铁材质的单缸废气分散收集后集中排出的集约式结构，其一个侧面上分布有四个收集端口分别与气缸盖相对应侧面上的四个排气端口相连接，另外一个侧面上的排气端口与柴油机的消声器相连接；气缸盖的结构是其内含喷油器孔、进气道、排气道、冷却水套、机油孔、缸盖结合面强力螺孔、出砂工艺孔、气门挺杆孔、机油罩壳法兰面、冷却水接口法兰面、各种强化筋条和辐板等组成，其结合面与发动机气缸体的缸筒结合面相连接，其机油罩面与柴油机的摇臂相连接，其一个侧面上分布的四个进气道端口与柴油机的进气系统相连接，另一个侧面上分布的四个排气道端口分别与排气管的四个分散式收集端口相连接，其内部冷却水套的一个端面与柴油机的冷却水进水泵相连接，而冷却水套的一个端面与柴油机的排水管道相连接。
    排气管和气缸盖铸铁件的常规生产，无论是普通砂型铸造还是消失模工艺铸造，目前均是采用分体式单独铸造成形，分别通过机械加工后再组装的生产模式。其中前一种普通砂型铸造分体式成形工艺是由于历史的原因，当时我国的铸造机械装备和工艺技术比较落后，针对当时的普通砂型造型和制芯工艺而设计的，兼顾了砂芯的成形工艺性、造型时的下芯操作便利性、机械加工夹具设计制造的简易性以及零部件易于单独更换和维修等诸多因素的影响；随着铸造新材料新工艺的出现和不断应用，我们成功地运用先进的消失模铸造工艺进行了排气管和气缸盖铸铁件的大规模生产，取得了可观的经济效益和良好的社会效益。而这后一种铸造工艺仅仅是在铸造环节上采用了新材料和新工艺，并没有从柴油发动机产品本身来综合考虑成形工艺随着新材料、新工艺、铸造装备的现代化以及机械加工与组装工艺的改进可能会发生重大结构调整。                        

                

图1 排气管模型簇                       图2 气缸盖模型簇

  

图3 连体式消失模铸件

二 、排气管与气缸盖连体式铸件成形工艺的探索
    我们基于四个事实前提条件进行了排气管与气缸盖连体式铸件（见图3）成形工艺的设计与试生产： ①我们成功地用消失模铸造工艺实现了单体排气管（见图1）产品与单体气缸盖（见图2）产品的试制与大批量生产与装机应用，并取得了良好的经济效益和社会效益，这提供了试制的铸造工艺平台； ②单体排气管泡沫模型与单体气缸盖产品的泡沫模型易于胶合组装成形，这提供了试制的消失模组装工艺平台；③排气管与气缸盖连体式铸件在后续的机械加工和发动机零部件装配时，可以方便地进行机床工装夹具的设计与各个工序的加工操作，也可以方便地进行发动机的零部件组装，这提供了汽车零部件组装工艺可行性平台。④排气管与气缸盖连体式铸件既可以直接地降低生产成本又能间接地简化装配工序和稳定产品质量而降低生产成本：相结合的两个产品的侧面既省去了构成机械加工余量的金属材料，又省去了机械加工工序：排气管本身的钻孔、扩孔、铰孔和倒角等省去了；气缸盖结合面上用于紧固螺栓的内螺纹孔的加工：钻孔、扩孔、铰孔、攻丝和倒角省去了；原先用于连接固定两个零件的8个连接螺栓及其附件（垫圈垫片等）也省去了。  
    铸件成形工艺的探索从经济的角度提供了工艺创新的现实意义。在此基础上，我们进行了工艺性实验并取得了成功，如图所示。为了能使这个工艺创新操作性更强，我们可以在连体式三维泡沫几何模型的创建以及泡沫模片的分型处理CAD设计时就将它们作为一个整体来处理，进行发泡成形模具及其工装件的设计、泡沫模型与浇注系统的组装工艺设计、模型簇浸涂涂料工艺的设计以及造型填砂工艺的设计等统筹考虑，这样有简化了泡沫模型的制模与组装工序，使得该工艺在消失模铸造工序阶段的生产效率和排气管与气缸盖连体式铸件在后续的机械加工、整机装配的整机质量的稳定性都能得到提高。
三、消失模工艺典型缺陷分析及解决措施
    表1是实际生产过程中统计出来的一组数据，其数值分布基本上反映了目前运用消失模铸造工艺来组织生产柴油机气缸盖铸铁件产品并进行机械加工后进行产品质量检验之现状。我们可以发现以下几个问题：①总的成品率较高90%，但不容乐观：因为其中包含了约三分之一的成品是具有轻微渗漏并经过浸渗合格的补救品，这些产品是不能作为发动机的原配件进行机械加工并装机使用的，而只能进入发动机的零配件市场。②与铸造本身直接相关的常见缺陷主要有四大类：漏水、气孔、粘砂和开裂。③工废主要是在机械加工过程中的定位基准发生变化、刀具本身断裂以及尺寸超差等原因导致铸件报废的，该问题不在本文的重点讨论之中。④开裂缺陷有一部分是硬伤，这主要是在产品搬运的生产环节中导致的，完全可以通过加强现场管理来杜绝掉这部分损失；有一部分是发泡成形时模片的厚度不够导致强度较低，容易产生开裂缺陷，这主要是制模时的原材料珠粒质量不稳定、制模循环的工艺参数设置不当或蒸汽压不稳定导致的；有一部分是由于碳缺陷引起的，这主要是在浇注成形过程中，泡沫模型未能够完全气化燃烧发生了不良的集聚性行为导致的。

表1 成品、半成品及废品数据统计

3.1 铸件渗漏缺陷的检测及解决办法
    在组织消失模铸造生产及后续的机械加工环节中，铸件的气密性检查是发现问题最多的地方。为了能直观地观察到铸件的漏水部位准确位置和漏水程度的轻重，我们采用了气缸盖与气缸体冷却水套充气法：即制作专用夹具（见图4所示）将气缸盖与气缸体冷却水套的出水口处全部实现密封，高压空气（0.4MPa）经由一安装在夹具上的专用强化橡胶软管通入冷却水套并保压3分钟，整个装置在测试过程中是放在洁净透明的水池中进行的。若发现水池中有较大的气泡产生，导致水池液面有明显的水波纹现象，我们要先检查夹具的密封装置是否漏气，然后再沿循气泡发生地锁定缺陷区域，关闭高压空气阀，放掉水池中的水，拆卸专用夹具，在漏水部位作好标记，以备统计分析处理。这种铸件就作为重度漏水铸件，直接报废用做回炉料。若发现水池中有弱小、分散的气泡产生，水池液面无明显的水波纹现象，我们也要先检查夹具的密封装置是否漏气，然后再沿循气泡发生地锁定缺陷区域，关闭高压空气阀，放掉水池中的水，拆卸专用夹具，在渗漏部位作好标记，以备后续的浸渗处理之用。这种铸件就作为轻度度漏水铸件，直接进入后续的浸渗处理工序。

图4 气缸盖气密性检验装置

    针对有轻微渗漏的铸件进行浸渗处理有以下几个步骤：①铸件的洁净处理：用高压水蒸汽进行清洗，可以设计成固定式蒸汽室，通过滚轮式或悬挂链装载气缸盖铸件后从固定式蒸汽室通过，通过调节通过总时间和蒸汽压力来达到洁净铸件的目的；②铸件的浸渗处理：借助专用夹具（夹具的设计主要是将气缸盖的冷却水套的各个开放端口加以密封，并在其中的一个大端口密封盖上开设浸渗液输入口，把适用于铸铁材质的浸渗液通过此输入口先灌入冷却水套内，注意保持一定的液面高度。然后从该输入口通入高压（0.7MPa）空气并保压（15min）；③浸渗液回收：将经过浸渗处理后的浸渗处理液从气缸盖的水套内倒出，放在回收桶内留作下次再循环使用；④气缸盖的气密性检查：再重复执行以上直至没有气泡产生为止。   


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