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
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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
表1
工艺方案 优点 缺点 ①补缩困难；②单薄的水套砂芯要承受高温底注 ①充型平稳；②排气较畅通 铁水冲击、烘烤和浮力作用；③容易出现冷隔、浇不足等缺陷；④冲砂严重；⑤缸底面材质性能较差。 侧注 ①浇冒口布置简单；②排气较畅通 ①温度场的分布便于补缩；②铁水压头持续时间长，气顶注 体不容易侵入铁水中；③蠕铁的流动性较差，不易出现冷隔、浇不足等缺陷；④缸底面材质性能较好。 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。
①铁水对型壁和砂芯的冲击力较大；②浇注不够平稳；③砂芯排气系统开设较困难。 ①补缩相对困难；②温度场分布不合理；③充型不平稳；④易出现冷隔、浇不足等缺陷；⑤材质分布不均匀。 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
2 图1
3、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 压边冒口颈
图2
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。
铁液过滤 一次挡渣 二次挡渣 一次封闭 二次封闭
3
开放
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。
补缩冒口 溢流冒口
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
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该缸盖模拟初步结论：
图7：缩松缩孔模拟
图8：冲击力模拟
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
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