發(fā)動機(jī)蠕鐵缸蓋縮松縮孔探討

王洪君，崔遷義

（濰柴動力股份有限公司,山東濰坊 261061）

圖1 發(fā)動機(jī)缸蓋基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

氣缸蓋作為發(fā)動機(jī)的重要零部件對發(fā)動機(jī)的性能和可靠性有著重要影響，隨著發(fā)動機(jī)研發(fā)對功率需求的提高，作為受熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷的氣缸蓋對材料的要求也越來越高，蠕墨鑄鐵材料在重型大功率發(fā)動機(jī)缸蓋的應(yīng)用也越來越廣泛，但受蠕墨鑄鐵和發(fā)動機(jī)缸蓋結(jié)構(gòu)的影響，蠕鐵缸蓋的縮松和縮孔缺陷逐漸成為蠕墨鑄鐵缸蓋推廣和普及的困擾；本文根據(jù)多年實踐經(jīng)驗結(jié)合理論，系統(tǒng)的闡述了發(fā)動機(jī)蠕鐵缸蓋常見縮松部位、形成原因及解決措施。

1 發(fā)動機(jī)蠕鐵缸蓋縮松縮孔常見部位及形態(tài)

1.1 發(fā)動機(jī)缸蓋的結(jié)構(gòu)簡介

發(fā)動機(jī)缸蓋型號種類眾多，結(jié)構(gòu)千差萬別，但總的來說都包含以下大的結(jié)構(gòu)：進(jìn)排氣道、上水腔、下水腔、噴油器孔、氣門導(dǎo)管孔、主螺栓孔、高壓油管孔、回油孔。圖1是某款發(fā)動機(jī)缸蓋的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)示例。

1.2 發(fā)動機(jī)缸蓋典型鑄造工藝

上例缸蓋的毛坯圖如圖2，其典型鑄造基礎(chǔ)工藝如圖3所示。

圖2 缸蓋毛坯

圖3 鑄造工藝

1.3 縮松縮孔常見部位及形態(tài)

發(fā)動機(jī)蠕鐵氣缸蓋容易產(chǎn)生縮松縮孔的部位與缸蓋結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系，形狀結(jié)構(gòu)的細(xì)微差異對蠕鐵缸蓋縮松縮孔的位置和形態(tài)影響顯著，需對不同結(jié)構(gòu)的蠕鐵缸蓋進(jìn)行針對性的鑄造工藝設(shè)計并驗證，但總的來說，發(fā)動機(jī)蠕鐵缸蓋縮松縮孔的部位主要集中在噴油器孔、氣門導(dǎo)管孔、主螺栓孔、高壓油管和回油孔這幾個部位，各部位常見縮松形態(tài)如圖4～7。

圖4 噴油器孔縮松形態(tài)

圖5 氣門導(dǎo)管處縮松形態(tài)

圖6 主螺栓孔處縮松形態(tài)

圖7 高壓油管處縮松形態(tài)

2 縮松縮孔的成因分析

2.1 縮松縮孔的形成機(jī)理

鑄件在冷卻和凝固過程中，由于合金的液態(tài)收縮和凝固收縮，往往在鑄件最后凝固的地方出現(xiàn)孔洞，容積大而且比較集中的孔洞稱為縮孔；細(xì)小而且分散的孔洞稱為縮松[1]。縮松縮孔形成的基本原因，主要是由于合金的結(jié)晶溫度范圍較寬，樹枝晶發(fā)達(dá)，液態(tài)和凝固收縮所形成的細(xì)小、分散孔洞得不到外部液態(tài)金屬的補(bǔ)充而造成的[2]。

2.2 發(fā)動機(jī)缸蓋縮孔縮松成因分析

發(fā)動機(jī)蠕鐵缸蓋的縮松和縮孔與缸蓋結(jié)構(gòu)和鑄造工藝有著密切關(guān)系，從圖2示例缸蓋毛坯結(jié)構(gòu)來看，在主螺栓孔、氣門導(dǎo)管孔和高壓油管孔等部位存在厚大熱節(jié)，這些部位鐵水凝固相對滯后，凝固收縮時得不到外部鐵液補(bǔ)充；噴油器孔部位壁厚雖然相對不大，但位于鑄件的中心部位，澆鑄后噴油器孔內(nèi)砂芯受熱溫度迅速提高且無處散熱，因此整個噴油孔周圍壁厚及內(nèi)部砂芯可以看做是一個整體相對較大熱節(jié)，因此該部位也是縮松縮孔易發(fā)生的部位。圖8是示例缸蓋在某一時刻模擬分析的溫度場。從圖中可以看出在缸蓋的四個主螺栓孔、四個氣門導(dǎo)管孔及噴油器孔周圍屬于溫度較高部位，也是鐵水凝固相對滯后及縮松多發(fā)部位。

圖8 鑄件溫度場分布

3 不同部位縮松縮孔的解決方案

3.1 噴油器縮松解決方案

該部位縮松由其形成機(jī)理可以看出，噴油器孔周圍壁厚及其內(nèi)部砂芯澆鑄后迅速形成較大熱節(jié)，對于相對較小的縮松在中心砂芯周圍添加冷鐵套可解決，該方案對相對較大的縮孔有減小縮孔傾向，但得不到有效解決，經(jīng)試驗驗證，噴油器孔采用不鑄出實心結(jié)構(gòu)，在其頂部布置發(fā)熱冒口可有效解決該部位縮松縮孔，工藝方案如圖9。

3.2 氣門導(dǎo)管孔及高壓油管孔縮松解決方案

該部位縮松因受鑄件結(jié)構(gòu)影響，布置冒口相對困難，有效的的解決方案是設(shè)置內(nèi)冷鐵，加工后再將內(nèi)置冷鐵除去，內(nèi)置冷鐵方案如圖10所示。

3.3 主螺栓孔縮松解決方案

圖10 氣門導(dǎo)管及高壓油管縮松解決方案

對于體積重量相對較小的蠕鐵缸蓋，主螺栓孔實心工藝一般不會出現(xiàn)縮松，體積中等缸蓋可采用主螺栓孔采用砂芯鑄出工藝或平衡溫度場不鑄出孔工藝，體積較大缸蓋采用內(nèi)置冷鐵工藝可有效解決該部位縮松。

4 結(jié)語

發(fā)動機(jī)蠕鐵缸蓋的縮松縮孔與缸蓋結(jié)構(gòu)及鑄造工藝密切相關(guān)，針對不同結(jié)構(gòu)不同體積大小的缸蓋需采取靈活的工藝，沒有固定模式能夠適用于所有蠕鐵缸蓋。

（1）噴油器孔實心加發(fā)熱冒口工藝可有效解決該部位縮松。

（2）內(nèi)置冷鐵工藝可有效解決氣門導(dǎo)管孔及高壓油管孔或回油孔縮松。

（3）內(nèi)置冷鐵工藝、砂芯鑄出孔工藝、平衡溫度場不鑄出孔工藝是有效解決主螺栓孔縮松的重要手段。