柴油機(jī)氣缸蓋消失模鑄造灰鐵件成型工藝_產(chǎn)品創(chuàng)新數(shù)字化(已修改)
2024-11-30 21:57 本頁(yè)面
【正文】 Siemens PLM Sortware 征文：柴油機(jī)氣缸蓋消失模鑄造灰鐵件成型工藝 _產(chǎn)品創(chuàng)新數(shù)字化 (PLM)_CAD 一、消失模鑄造概述消失模鑄造的發(fā)展 消失模鑄造概述消失模鑄造的發(fā)展大體上可以分為既緊密聯(lián)系又各有特點(diǎn)的兩個(gè)階段（見(jiàn)表一）：即采用帶有粘結(jié)劑的干砂（普通粘土砂或自硬砂）進(jìn)行造型、金屬液采用重力澆注的實(shí)型鑄造 (full mold casting)亦稱無(wú)型腔鑄造(cavityless casting)和采用無(wú)粘結(jié)劑的單一（目數(shù) 40/70）干砂造型、金屬液采用負(fù)壓澆注的消失模鑄造。兩者相同的地 方是均采用聚苯乙烯泡沫塑料（ EPS、PMMA、 EPMMA）模造型 ,不需起模即可澆注。澆注時(shí)，液態(tài)金屬使泡沫塑料燃燒，氣化，同時(shí)立即充填原來(lái)由模樣占據(jù)的型腔。由于不需起模，無(wú)分型面，且一般不需要要用型芯，所以鑄件尺寸較精確，鑄件機(jī)械加工面的余量較小，有些工藝孔可以直接鑄出，實(shí)現(xiàn)少加工和免加工。鑄件無(wú)披縫，可省去大量的清理工作量。消失模鑄造一方面在造型時(shí)型砂無(wú)需添加任何粘合劑和輔料，這不但節(jié)約了生產(chǎn)資料而且使得粉塵污染大幅降低；另一方面又由于消失模鑄造采用負(fù)壓澆注，這不但使得金屬液沖型速度加快，有利于強(qiáng)化金屬液 凝固時(shí)顯微組織的致密性以提高鑄件的機(jī)械性能，也使有害氣體煙霧可以方便地實(shí)現(xiàn)集中收集并集中處理，改善了職工的作業(yè)環(huán)境，因此消失模鑄造被國(guó)內(nèi)外的業(yè)界人士贊譽(yù)為綠色鑄造。 表一 消失模鑄造發(fā)展概況 二、消失模鑄造預(yù)發(fā)珠粒原材料的選用 鑄鐵件消失模鑄造選用共聚物 PMMA 作為主要原材料來(lái)制造模型，這主 要有以下幾個(gè)方面的原因：①泡沫模型燃燒后在鑄件內(nèi)的碳?xì)埩魳O少（≈ %），通常不會(huì)對(duì)鑄件組織造成危害，鑄件的成品率較高；②泡沫模型抗變形能力強(qiáng)，彈性恢復(fù)性能好 (PMMA泡沫模型抗變形彈性復(fù)原能力可達(dá)到 98%以上 ,而 EPS泡沫模型抗變形彈性復(fù)原能力只能達(dá)到 92%)；③由于共聚物 PMMA 珠粒容易成型的粒徑可以更小 (最小零件壁厚大面積成型可做到 4mm,漸變截面零件最小起始壁厚可做到 2mm)，泡沫模型成型能力強(qiáng)，提高了產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)的自由度；④共聚物PMMA 珠粒對(duì)發(fā)泡劑的屏蔽作用較強(qiáng)，可以存放更長(zhǎng)的時(shí)間 (原始珠粒 可以存放 6個(gè)月以上 ,預(yù)發(fā)珠?？梢源娣?3個(gè)月以上 )，提高了制模的經(jīng)濟(jì)性；⑤共聚物 PMMA泡沫模型的成型設(shè)備無(wú)須專門設(shè)計(jì)，與 EPS 泡沫模型所用的成型設(shè)備一樣即可。況且其熟化時(shí)間較短，尺寸穩(wěn)定性好，縮短了生產(chǎn)周期；⑥共聚物 PMMA 泡沫模型具有較寬的密度范圍，以滿足成型性和可鑄造性（ 21～ 32g/l）。人們?cè)谶x擇共聚物 PMMA 珠粒時(shí)就可以避開(kāi)碳缺陷的影響去重點(diǎn)考慮其它方面的有效因素。EPS 泡沫模型的成型密度范圍較寬，而滿足可鑄造性能的密度范圍卻較窄（ 20～22g/l）；⑦共聚物 PMMA 泡沫模型的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和 抗彎曲變形能力與EPS 泡沫模型接近。 用共聚物 PMMA 泡沫模型材料進(jìn)行消失模鑄造之所以碳?xì)埩羯?，主要有以下幾個(gè)方面的原因：① PMMA 含有的碳原子數(shù)目較少。這可以從單體分子結(jié)構(gòu)的組成中看出來(lái)， PMMA 為（ CH2— C4H6O2） n， EPS 為（ CH2— C7H6） n，兩者的碳原子數(shù)目之比為 5:8；② PMMA 含有的氧原子可以將碳原子帶走。當(dāng)澆注金屬液時(shí)，氧原子可以與碳原子結(jié)合生成 CO 氣體逸出型外而將碳原子帶走。每個(gè) PMMA單體分子結(jié)構(gòu)中有兩個(gè)氧原子，也就意味著能帶走兩個(gè)碳原子。這樣一來(lái)，兩者熱解后的碳原 子數(shù)目之比變?yōu)榱藶?3:8；③ PMMA 的熱力學(xué)穩(wěn)定性差，進(jìn)而導(dǎo)致其遇到高溫時(shí)能夠快速熱解。而 EPS 則因?yàn)楹斜江h(huán)結(jié)構(gòu)顯得熱力學(xué)穩(wěn)定性較好，進(jìn)而導(dǎo)致其遇到高溫時(shí)熱解速度較慢。況且即使苯環(huán)結(jié)構(gòu)熱解了，也會(huì)伴隨著氫氣的逸出而產(chǎn)生大量的碳；④ PMMA 和 EPS 兩種材料熱解的形式不同。前者多以氣體的方式逸出型外，即使有少量的碳黑在型砂中聚集 ,也很容易通過(guò)砂處理的除塵系統(tǒng)將其趕走，造型砂的流動(dòng)性不受影響；而后者多以粘滯液體的形態(tài)漂浮在金屬液的表面并長(zhǎng)時(shí)間的滯留，很容易連同金屬液一起被卷入到模型型腔內(nèi)，進(jìn)而產(chǎn)生碳夾雜。一旦這 種粘滯液體滯留在了型砂中，同時(shí)會(huì)影響到型砂的流動(dòng)性。 通常原始珠粒的粒徑都很小，密度較大，不能直接用于制模。為了獲得密度低、表面光潔、質(zhì)量?jī)?yōu)良的泡沫塑料模樣，需要對(duì)可發(fā)性的原始珠粒先進(jìn)行預(yù)發(fā)泡并熟化處理，得到我們所需要的密度和彈性狀態(tài)。當(dāng)預(yù)發(fā)溫度低于原始珠粒的玻璃化溫度時(shí)，發(fā)泡劑會(huì)向外慢慢逃逸，原始珠粒并不膨脹。只有當(dāng)預(yù)發(fā)溫度高于玻璃化轉(zhuǎn)化溫度時(shí)，原始珠粒發(fā)生軟化變形，隨著溫度的不斷升高，發(fā)泡劑迅速氣化膨脹，使原始珠粒體積迅速增大，變成一種閉孔有共用珠壁的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，原始珠粒的密度大幅度降低，直致達(dá)到我 們的要求。剛預(yù)發(fā)泡好的珠粒由于體積突然膨脹，發(fā)泡劑從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，珠粒內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓，珠粒無(wú)彈性，用此材料制出的模片表面質(zhì)量較差。此時(shí)我們需將預(yù)發(fā)泡好的珠粒進(jìn)行冷卻，使膨脹時(shí)產(chǎn)生的微孔固定下來(lái)，使其中的發(fā)泡劑重新凝溶于聚苯乙烯內(nèi)，空氣通過(guò)珠粒泡壁滲入，使微孔內(nèi)外的壓力達(dá)到平衡，此即為珠粒的熟化。 三、柴油機(jī)氣缸蓋消失模鑄造成型工藝 我們以直列四缸、二氣門下置凸輪、無(wú)銅套噴油器、鑄鐵材質(zhì)的柴油機(jī)氣缸蓋消失模鑄造成型為例來(lái)具體說(shuō)明其流程工藝。產(chǎn)品的技術(shù)要求為： 材質(zhì)HT250,加銅、鉻 ,～ %Cu,～ %Cr,抗拉強(qiáng)度不低于 250 MPA。鑄件需經(jīng)消除內(nèi)應(yīng)力處理 ,硬度為 187～ 255HBS,硬度差不大于 40HBS 單位 ,在氣門座孔附近檢查 。未注明鑄造圓角半徑為 3～ 5mm,起模斜度為 1～ 2 度 , 未注壁厚為5(+1,)mm。加工后進(jìn)行水壓試驗(yàn) ,在 壓力下 ,歷時(shí) 2min 不得有滲漏現(xiàn)象。圖 1 所表示的就是一款 N485 型直列四缸、二氣門下置凸輪、有銅套噴油器、鑄鐵材質(zhì)的柴油機(jī)氣缸蓋消失模鑄件產(chǎn)品及其解剖斷面圖，通過(guò)實(shí)際裝機(jī)運(yùn)行，我們發(fā)現(xiàn)有銅套噴油器部位容易出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)分析得出的結(jié) 論是：銅套噴油器零件與其鑄鐵材質(zhì)基座兩種材料在冷熱交變的工作環(huán)境里所發(fā)生的熱脹冷縮狀況不一致所導(dǎo)致的結(jié)果。于是我們就決定修改這種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)工藝，將噴油器直接連體式（如圖 2右第三片所示進(jìn)排氣道之間連體的斜圓柱泡沫塑料實(shí)體部分）鑄出后再結(jié)合機(jī)械加工的方法將其制造出來(lái)。這樣一方面保證了噴油器零件與其基座兩種材料的一致性，均為鑄鐵材質(zhì)，避免了產(chǎn)品滲水現(xiàn)象的發(fā)生；另一方面用鑄鐵材質(zhì)代替銅套結(jié)構(gòu)也節(jié)約了生產(chǎn)成本。經(jīng)過(guò)大量的生產(chǎn)實(shí)踐和裝車運(yùn)行，我們?cè)谏a(chǎn)工藝的穩(wěn)定性、生產(chǎn)成本和產(chǎn)品的質(zhì)量保證上均收到了預(yù)期的效果。 圖 1柴油機(jī)氣蓋消失模鑄鐵件產(chǎn)品 產(chǎn)品泡沫塑料模型的成型工藝 發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋通常由進(jìn)氣道、排氣道、冷卻水套、噴油器孔、機(jī)油孔、缸蓋結(jié)合面強(qiáng)力螺孔、出砂工藝孔、氣門挺桿孔、機(jī)油罩殼法蘭面、冷卻水接口法蘭面、各種強(qiáng)化筋條和輻板等組成。如此復(fù)雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品泡沫塑料模型是無(wú)法在模具中一次性發(fā) 泡成型并實(shí)現(xiàn)順利脫模的 ,我們只有順應(yīng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)并做一些適當(dāng)?shù)墓に囆薷暮?,將產(chǎn)品泡沫塑料模型分割成若干部分進(jìn)行單獨(dú)發(fā)泡成型 ,最后再將它們按照一定的次序膠合組裝起來(lái)形成一個(gè)完整的產(chǎn)品泡沫塑料模型。目前國(guó)內(nèi)外在柴油機(jī)和汽油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的泡沫模型的結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)上有少許不同，而分型方案的處理漸趨一致。經(jīng)過(guò)多年的生產(chǎn)實(shí)踐和研究發(fā)現(xiàn)：分型方案的處理漸趨一致主要是出于泡沫模片的成型質(zhì)量、脫模的便利性和整體模型的膠合質(zhì)量來(lái)考慮的，而泡沫模型的結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)上有少許不同主要是由于鑄件的材質(zhì)不同而采取的相應(yīng)措施。由于鋁合金的澆鑄 溫度在 720℃上下，鐵合金的澆鑄溫度在1460℃上下 ,如此大的澆鑄溫差導(dǎo)致了在鋁合金消失模鑄造工藝上能實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)（比如Φ 7mm以上的孔很容易直接鑄
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