“蘑菇頭”氣缸套生產工藝參數的試驗研究*

吳龍 高浩 劉建軍

（1-三明學院機電工程學院福建三明3650042-三明機械CAD工程研究中心3-福建三明高新技術產業開發區博士后工作站4-福建匯華集團東南汽車缸套有限公司）

“蘑菇頭”氣缸套生產工藝參數的試驗研究*

吳龍1，2，3高浩4劉建軍1，2，3

（1-三明學院機電工程學院福建三明3650042-三明機械CAD工程研究中心3-福建三明高新技術產業開發區博士后工作站4-福建匯華集團東南汽車缸套有限公司）

開發了新型產品“蘑菇頭”氣缸套，在生產中采用均勻的試驗設計方法，得到了最佳的發泡工藝、模具轉速、模具溫度、澆注溫度等工藝參數。本研究為缸套的鑄造生產提供了指導和借鑒作用。

蘑菇頭氣缸套生產工藝參數試驗研究

引言

我國整車產品的制造工藝及質量已經接近國際水平，但零部件生產卻滯后于整車的發展，因此國家發改委提出要重點發展汽車零部件[1～3]。氣缸套是鑲在發動機上的核心零件，它與氣缸蓋活塞、活塞環構成了發動機的燃燒室，它的性能直接影響了發動機的使用性能。

我們開發的“蘑菇頭”氣缸套可以把加工余量減少到1～1.5mm，并且鑄造廢品率控制在1%以內。特別是可以把毛坯做到600mm長，一只毛坯做10只缸套。該產品為合金鑄鐵，化學成分組成為：C：3.20%～ 3.3%；S：0.03%～0.05%；Mn：0.7%～1.1%；P：0.2%～0.3%；Cr：0.2%～0.3%；B：0.05%～0.06%Si：2.5%～2.7%。金相組織中基體組織為細片狀珠光體，不小于95%。游離鐵素體≤5%。石墨以A+B型為主，含量大于90%。該產品獲國家實用新型專利（CN201884139U），經過教育部科技查新工作站NO.5的查新、閩教科評字2013[35]的評審意見，以及福建省產品質量檢驗研究院的檢測報告：國內無同類產品，“蘑菇頭“氣缸套及外表面，技術性能指標能夠滿足發動機的要求。該產品國內缸套企業都沒有生產，只有一家日資企業——安慶帝伯格茨缸套有限公司生產同類產品。

1 “蘑菇頭”氣缸套外形及性能

“蘑菇頭”氣缸套及外表面如圖1所示，與同類產品比較如表1所示。

此種缸套主要依靠“蘑菇頭”增強缸套與鋁液的結合力，穩定得到“蘑菇頭”，是本項目的關鍵。“蘑菇頭”為鑄造表面，要求嚴格。當前的鑄造毛坯很少“蘑菇頭”，且高度非常低，且在毛坯外表面很多氣孔，根本不能滿足此種缸套的要求。從技術難點、關鍵點分析，在工藝方面“蘑菇頭”一定是涂料層內表面形成“蘑菇頭”，從而使缸套外壁形成“蘑菇頭”。我們采用實驗設計對發泡工藝、模具轉速、模具溫度、澆注溫度等工藝參數進行優化設計。

圖1 “蘑菇頭”氣缸套橫截面圖

表1 與國外同類產品的性能比較表

2 發泡劑選擇

缸套外圓得到“蘑菇頭”，必須使涂料加入模具內腔后，使涂料表面形成“蘑菇頭”，這就要求涂料必須在模具內腔劇烈發泡，選擇了4種表面有活性劑：硬脂酸納（肥皂）、洗衣粉、月桂醇硫酸酯鈉鹽、調節劑A，加入量為干粉料的0.10%。通過觀察加入后的發泡程度、脫模性、“蘑菇頭”多少、金相、硬度，來選擇發泡劑。每種涂料跟蹤3只缸套。試驗方案如下：

澆注機號：14號

出爐溫度：1538℃

涂料厚度：0.8～1.2mm

孕育量：0.8%

模具轉速：1540r·min-1

試驗結果如表2所示。

表2 發泡劑類別對金相硬度和“蘑菇頭”的影響

結果表明：調節劑A為最佳選擇。

仍然采用前面的工藝，對發泡劑的加入量進行了試驗，如表3所示。

表3 發泡劑加入量與“蘑菇頭”數量關系表

結果表明：發泡劑加入比例在0.1%～0.15%比較適合，但要進一步對發泡劑加入比例進行細分。具體如表4所示。

表4 發泡劑加入量細化試驗表

從表4可以看出，發泡劑加入比例在0.15%～0.17%為最佳選擇。

3 模具轉速的研究

當涂料加入模具內腔后，在離心力的作用下，氣泡必然有迅速破裂的趨勢，當氣泡破裂的速度大于涂料凝結的速度時，就不會形成泡沫或者泡沫較小，缸套上“蘑菇頭”偏小或者偏少。因此，離心力的大小決定了泡沫的多少，即決定了“蘑菇頭”的大小。而離心力的大小是由模具轉速決定的。選擇了氣動噴灑涂料時的轉速為500r·min-1、600r·min-1、700r·min-1、800 r·min-1、900r·min-1、1000r·min-1、1100r·min-1、1200 r·min-1、1300r·min-1，觀察發泡時間、脫模性、毛坯外圓“蘑菇頭”大小，同時也對金相硬度進行了監控，來選擇合適的模具轉速。結果如表5、圖2所示。

表5 模具轉速對“蘑菇頭”的影響表

圖2 同一模具溫度分布概況

結果表明：在700r·min-1以前發泡時間劇烈減少，700～1000r·min-1發泡時間減少趨勢放慢，在800r·min-1～900r·min-1蘑菇頭大小基本滿足產品要求，但必須對轉速進行細分，尋找最合適的轉速。方案如表6所示。

表6 模具轉速細化試驗表

結果表明：840～860 r·min-1為模具最佳轉速。

4 模具溫度的研究

涂料發泡，必須有一定的動力，即要有一定的模具溫度。模具溫度太低，涂料發泡不充分，“蘑菇頭”太小，模具溫度太高，涂料掛不上去。模具溫度對金相組織的影響也非常大，模具溫度高，容易出現A型石墨，不易出現枝晶聚集等白口組織，反之，就容易出現過冷組織。為了穩定得到蘑菇頭和保證金相組織，必須對模具溫度進行研究。對一只缸套來說，不同部位模具溫度不一樣，造成“蘑菇頭”、金相組織分布不均勻，必須采取工藝去保證模溫均勻性。模具溫度對“蘑菇頭”大小和金相組織的影響如表7所示。

結果表明：最佳的模具溫度為350℃～450℃。

模具溫度是由模具厚度、來水時間、還原時間決定的，下面對模具厚度進行研究。

4.1 模具厚度對模具溫度的影響

模具厚度決定模具的穩定性，模具厚，蓄熱多，模具溫度上升慢，模具溫度變化小，模溫穩定。但是模具若過厚，模溫低，缸套冷卻過快，金相硬度不合格。模具厚度采用24mm、32mm、40mm、48mm研究模溫均勻性和金相，如表8所示。

表7 模具溫度對蘑菇頭大小和金相的影響

表8 模具厚度對模溫影響關系表

結果表明：1）模具厚度為40mm的時候，各個缸套之間模具溫度最穩定；2）40mm模具厚度，各個缸套之間金相組織最好；3）40mm模具厚度同一缸套不同部位模溫變化最小；4）同一缸套，模具溫度變化較大，必須進一步研究。

4.2 來水時間、還原時間對模具溫度的影響

從鐵水澆注進去到開始開水這一段，叫來水時間；從開始開水到停水叫擊水時間；從停水到停機叫還原時間。影響模具溫度的因素主要是擊水時間和還原時間，為了研究我們采取以下試驗方案：來水時間固定：15s，擊水時間、還原時間對模溫的影響試驗結果如表9所示（工藝參數采用澆注自動控制系統控制）。

表9 擊水時間、還原時間模具厚度與模溫關系表

結果表明：來水時間15s，擊水時間25s，還原時間20s，模具溫度正好在400℃左右為最佳參數。

4.3 同一模具不同部位模具溫度一致性研究

從表8可以看出中部溫度最高，前端次之，后部最低，主要是在模具前端鐵水直接和擋塊接觸，前端鐵水降溫很快；在模具的后部，由于模具直接和澆注機法蘭盤接觸，大量的熱量通過法蘭盤傳向澆注機；在中間部位由于熱量比較集中，并且熱量不容易散出去，因此中間模具溫度最高，前端次之，后部最低如圖2所示。消除溫度的差異，必須通過調整擊水管消除差異。

擊水管的制作：在小端60mm范圍不開擊水眼，在大端40mm范圍不開水眼。改進后進行了模具溫度的測量，測量位置如圖2所示。數值如表10所示。

表10 加擊水管后不同部位模具溫度表℃

結果表明：擊水管改進后，模溫較穩定，滿足生產要求。

5 澆注溫度的研究

缸套“蘑菇頭”的形成是依靠涂料表面蘑菇頭形成的，鐵水必須有很好的流動性才能把涂料的蘑菇頭填滿。保證合適的澆注溫度非常關鍵，但是鐵水溫度太高又會破壞涂料，鐵水澆注溫度研究如表11所示。

表11 澆注溫度對蘑菇頭和金相的影響

結果表明：澆注溫度在1300～1450℃之間，為最佳澆注溫度。

6 結論

通過生產實驗對發泡工藝、模具轉速、模具溫度、澆注溫度等工藝參數進行優化，結論如下：

1）發泡劑為調節劑A，加入比例在0.15%～0.17%為最佳選擇；

2）模具轉速控制在840～860r/min；

3）采用改進的擊水管，模具厚度為40mm，模具溫度控制在350℃～450℃為最優；

4）澆注溫度在1300～1450℃之間，為最佳澆注溫度；

5）來水時間15s，擊水時間25s，還原時間20s，模具溫度正好在400℃左右為最佳參數。

本公司年產本缸套150萬只，減少生產成本157.2萬元，機加工成本375萬元，綜合減少成本532.2萬元。該產品小批量向浙江吉利集團供貨，經過浙江吉利集團臺架試驗，本產品從外觀、金相組織、耐磨性和活塞環配副性都能滿足發動機的要求，與全鋁發動機配合后，缸體重量減少30%，提高10%的中低速扭矩，提高8%的高速端功率，提高5%的燃油經濟性，尾氣排放最大減少25%。

1王希臣，孫軍，王虎，等.活塞（環）-缸套間潤滑油流動和潤滑研究的現狀、討論和展望[J].小型內燃機與摩托車，2013，42（2）：82～88

2杜冰，梁淑如，程燕鋒，等.擠壓膨化加工過程參數及其影響[J].食品與機械，2008，24（5）：133～135

3胡秀娟，劉亞偉，劉潔，等.發芽糙米的制備技術及制品研究進展[J].糧食與飼料工業，2011，（11）：1～4

4代永剛，馬毓霞，南喜平，等.生物柴油的現狀及發展前景[J].糧油食品科技，2006，14（1）：17～19

5吳黎明，潘衛國，郭瑞堂，等.富氧燃燒技術的研究進展與分析[J].鍋爐技術，2011，42（1）：36～38，68

6鄭曉紅，趙翔，曹欣玉，等.鍋爐高溫承壓部件剩余壽命的評估及應用[J].鍋爐技術，2003，34（4）：25～29

7周華祥，寧朝陽.低排放高熱效率長壽命氣缸套的改進[J].小型內燃機與摩托車，2008，37（3）：54～58

Experimental Study on Processing Parameters of“Mushroom”Cylinder Liner

Wu Long1，2，3，Gao Hao4，Liu Jianjun1，2，3
1-School of Mechanical&Electronic Eng.,Sanming Univ.(Sanming，Fujian，365004，China) 2-Sanming Engineering Research Center of Mechanical CAD 3-Post-doctoral Research Station of Fujian Sanming High-tech Industrial Development Zone 4-Southeast Auto Cylinder Liner Co.,Fujian Huihua Group

We have developed new products"mushroom"cylinder liner.Uniform experimental design method is used in the production，the best foaming process，rotating speed of mold，mold temperature，pouring temperature and other process parameters are obtained.In this paper，our study provides a guidance and reference for the automotive cylinder casting production.

Mushroom，Cylinder liner，Processing parameters，Experimental，Study

TG249.4

A

2095-8234（2014）04-0018-06

2014-03-24）

中國博士后基金（2013M541851）；福建省科技廳高校產學合作重大項目（2012H6018）；福建省高等學校新世紀優秀人才支持計劃(JA13290)；福建省教育廳中青年教師教育科研項目（A類JA13293）；福建省教育廳中青年教師教育科研項目（B類JB13183）；三明學院高等教育教學改革項目（J1309/Q）。*

吳龍（1973-），男，副教授，博士，主要研究方向為機械動力學與控制。