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        防脈紋劑在缸蓋氣道芯的工藝研究與應(yīng)用

        2022-07-31 02:51:26陳玉英陳海東馬明濤馮月雪
        中國鑄造裝備與技術(shù) 2022年4期

        季 托,陳玉英,陳海東,張 杰,馬明濤,馮月雪

        (濰柴(濰坊)材料成型制造中心有限公司,山東濰坊 261061)

        0 前言

        內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)對混合氣形成和燃燒過程有決定性影響,氣道形狀的優(yōu)劣在很大程度上影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性。我公司某型號缸蓋氣道芯采用冷芯工藝,氣道內(nèi)脈紋問題突出,導(dǎo)致清理難度高,此外清理過程中容易破壞氣道表面形狀,嚴(yán)重影響鑄件質(zhì)量。為此開發(fā)防脈紋劑冷芯工藝,以達(dá)到消除氣道脈紋的目的。

        1 防脈紋劑的成分及作用原理

        防脈紋添加劑根據(jù)成分不同可分為三類,即有機(jī)類、無機(jī)類及混合類。有機(jī)類添加劑的作用原理為添加劑在高溫下燃燒后出現(xiàn)空隙,為砂粒膨脹提供膨脹空間,常見為煤粉、木屑,缺點(diǎn)為發(fā)氣量高、對砂芯強(qiáng)度影響大;無機(jī)類添加劑的作用原理為在受熱時(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),提高砂芯熱塑性,兼有填充砂粒間空隙,避免鐵水侵入的作用,常見為氧化鐵、鋰輝石,缺點(diǎn)為用量多、成本高[2,3]。

        我公司所試驗(yàn)的X 型防脈紋劑為混合類,下文將對該型號防脈紋劑的特性進(jìn)行研究。

        2 防脈紋劑的特性研究

        2.1 基本物理特性

        X 型防脈紋劑表觀為橙紅色粉末。堆積密度0.68g/cm3;粒度進(jìn)廠檢測為200 目以下占比95%,出廠檢驗(yàn)粒徑為26.8μm;灼減量95.6%,方法為將粉末加熱至980℃,保溫1h;水分檢測結(jié)果為12.4%。具體檢測結(jié)果見表1。

        表1 防脈紋劑物理性能

        檢測結(jié)果表明,該型號防脈紋劑堆積密度低,粒徑小,呈漂粉狀,加入過程中易損失,粉末儲存需避免強(qiáng)烈碰撞,以免與空氣混合后發(fā)生爆炸;灼減量及水分高,對鑄件產(chǎn)生氣孔缺陷有一定影響。

        2.2 對砂樣強(qiáng)度的影響

        試驗(yàn)采用大林擦洗砂,蘇州興業(yè)高強(qiáng)度冷芯盒樹脂,樹脂組份一與組份二比例為1:1。在樹脂雙組份加入量分別為1.6%、1.8%、2%、2.2%時(shí),檢測防脈紋劑添加量0.4%、0.6%、0.8%、1%四種添加量的砂樣瞬時(shí)抗拉強(qiáng)度、24h 抗拉強(qiáng)度,試驗(yàn)結(jié)果如圖1、2 所示。砂樣瞬時(shí)抗拉強(qiáng)度在樹脂加入量1.6%時(shí),防脈紋劑加入量的提高對瞬時(shí)強(qiáng)度影響最大,由0.4%提高至1%時(shí),瞬時(shí)強(qiáng)度降低33.6%;砂樣24h 抗拉強(qiáng)度在樹脂加入量2.2%時(shí),防脈紋劑加入量的提高對24h 強(qiáng)度影響最大,由0.4%提高至1%時(shí),24h 強(qiáng)度降低22.2%。

        圖1 不同防脈紋劑及樹脂加入量的砂樣瞬時(shí)抗拉強(qiáng)度

        圖2 不同防脈紋劑及樹脂加入量的砂樣24 時(shí)抗拉強(qiáng)度

        試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),樹脂雙組份加入量到2%以上,保證砂樣瞬時(shí)抗拉強(qiáng)度大于1MPa,24h 抗拉強(qiáng)度大于2MPa。

        2.3 對砂樣發(fā)氣量的影響

        試驗(yàn)條件與前述相同,檢測四種防脈紋劑添加量的發(fā)氣量,試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。隨著樹脂或防脈紋劑加入量的提高,砂樣發(fā)氣量升高;每增加0.2%的樹脂,砂樣發(fā)氣量升高約1mL/g,每增加0.2%的防脈紋劑,砂樣發(fā)氣量升高0.7mL/g~1.3mL/g。

        圖3 不同防脈紋劑及樹脂加入量的砂樣發(fā)氣量

        試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),防脈紋劑加入量在0.6%以下時(shí),才能保證砂樣發(fā)氣量低于覆膜砂發(fā)氣量水平(14 mL/g)。

        3 混砂工藝的研究

        研究對象選擇H 型號缸蓋進(jìn)氣道芯,集成進(jìn)氣管后砂芯總長度超過1m,砂芯重量16kg,如圖4 所示。因砂芯結(jié)構(gòu)復(fù)雜,整體較長,澆注過程中位于澆注系統(tǒng)底部,容易出現(xiàn)彎曲變形、轉(zhuǎn)運(yùn)斷芯、砂芯開裂等問題,該砂芯對常溫及高溫強(qiáng)度要求更高。

        圖4 H 型號缸蓋進(jìn)氣道芯三維模型圖

        3.1 添加設(shè)備的選擇

        根據(jù)前述試驗(yàn),X 型防脈紋劑加入量的微量變化對砂芯強(qiáng)度能夠造成極大的影響。因此精確定量防脈紋劑加入量成為過程控制關(guān)鍵點(diǎn)。

        由于防脈紋劑堆積密度小、重量輕,通過管道依靠粉末自身重力加入,容易出現(xiàn)掛壁、堵塞等問題。應(yīng)用螺旋給料裝置可以保證防脈紋劑添加量準(zhǔn)確,自動(dòng)稱量防脈紋劑粉末重量,測量精度可以達(dá)到≤±0.5%,使工藝可靠性提高。

        3.2 加料順序及混砂時(shí)間的設(shè)定

        防脈紋劑密度小,加料或攪拌時(shí)會飛散到空氣中,最佳加料順序?yàn)椴糠中旧?防脈紋劑-另一部分芯砂-樹脂。芯砂與防脈紋劑需干混20s~30s,保證混合均勻,不會出現(xiàn)防脈紋劑的偏析;干混后加入樹脂,濕混70~90s。如果先加所有芯砂或樹脂,后加防脈紋劑,會出現(xiàn)防脈紋劑混合不均現(xiàn)象,制得的砂芯各部位強(qiáng)度也會不均勻。

        3.3 混砂配比的設(shè)計(jì)

        H 型號缸蓋進(jìn)氣道芯原冷芯工藝為混砂配比為50%鉻礦砂+50%再生砂+0.95%×2 樹脂,缸蓋閥座孔脈紋嚴(yán)重,如圖5 所示。考慮鉻礦砂成本高,試驗(yàn)設(shè)計(jì)從高比例防脈紋劑、低比例鉻礦砂開始,逐步降低防脈紋劑加入量,提高鉻礦砂加入量。

        圖5 未添加防脈紋劑冷芯工藝鑄件脈紋嚴(yán)重

        3.3.1 防脈紋劑對砂芯尺寸收縮的影響

        借助三維光學(xué)掃描技術(shù),運(yùn)用三維點(diǎn)云對比軟件Geomagic control,設(shè)備測量精度±0.05mm,對四種冷芯混砂配比的進(jìn)氣道芯尺寸進(jìn)行測量,選取1 缸與6 缸閥座孔芯頭距離L1、前后端芯頭小平面距離為研究尺寸L2,如圖6。測量結(jié)果如表2 及圖7~11 所示。

        圖6 L1、L2 尺寸定義

        表2 不同混砂配比的砂芯尺寸測量結(jié)果

        圖7 配比1 砂芯三維掃描測量結(jié)果

        圖8 配比2 砂芯三維掃描測量結(jié)果

        圖9 配比3 砂芯三維掃描測量結(jié)果

        可以發(fā)現(xiàn),添加防脈紋劑時(shí),鉻礦砂比例少于35%時(shí),砂芯縮短嚴(yán)重;防脈紋劑比例0.5%,35%或50%鉻礦砂時(shí),砂芯縮短0.35~0.45mm,對比無防脈紋劑添加原始配比,縮短程度可以接受。

        3.3.2 防脈紋劑對鑄件收縮和變形的影響

        試驗(yàn)?zāi)透邷馗材ど盁嵝局迫∵M(jìn)氣道芯及上述配比3 冷芯進(jìn)氣道芯澆注鑄件,兩臺鑄件整體均存在1.2mm 左右收縮,如圖12、13 所示。熱芯鑄件進(jìn)氣道收縮0.8mm,說明熱芯在澆注后有膨脹現(xiàn)象;冷芯鑄件進(jìn)氣道收縮程度與鑄件整體收縮程度一致,即冷芯無明顯收縮或膨脹。

        圖10 配比4 砂芯三維掃描測量結(jié)果

        圖11 原始配比砂芯三維掃描測量結(jié)果

        圖12 冷芯進(jìn)氣道芯鑄件閥座孔尺寸測量結(jié)果

        圖13 熱芯進(jìn)氣道芯鑄件閥座孔尺寸測量結(jié)果

        對比熱芯與冷芯配比3 進(jìn)氣道芯澆注鑄件解剖后三維掃描尺寸,如圖14、15。熱芯氣道中間處外脹現(xiàn)象明顯,最大1.4mm;冷芯配比3 鑄件尺寸良好,最大外脹0.4mm。與熱芯相比冷芯配比3 尺寸穩(wěn)定性良好,抗變形能力強(qiáng),缸蓋加工后進(jìn)行吹風(fēng)性能試驗(yàn),冷芯缸蓋渦流比明顯低于熱芯缸蓋,更接近理論設(shè)計(jì)值。

        圖14 防脈紋劑冷芯鑄件解剖內(nèi)腔測量結(jié)果

        4 應(yīng)用效果

        驗(yàn)證五種混砂工藝,效果如表3 所示。防脈紋劑添加量0.8%時(shí),砂芯縮短嚴(yán)重,影響組芯尺寸;防脈紋劑添加量0.5%,鉻礦砂50%時(shí),砂芯尺寸良好、抗脈紋效果好,但成本偏高;樹脂加入量提升不能減低脈紋缺陷比例,而且發(fā)氣量過高;防脈紋劑添加量0.5%,鉻礦砂35%時(shí),可同時(shí)兼顧砂芯尺寸、材料成本和抗脈紋效果。

        表3 五種混砂配比驗(yàn)證效果

        此外,在后續(xù)驗(yàn)證中發(fā)現(xiàn),砂芯放置時(shí)間超過三天,鑄件出現(xiàn)脈紋幾率升高,建議制芯后三天之內(nèi)澆注。

        5 結(jié)論

        (1)防脈紋劑的添加對冷芯的抗拉強(qiáng)度、發(fā)氣量有一定影響。

        圖15 熱芯鑄件解剖內(nèi)腔測量結(jié)果

        圖16 配比3 鑄件無脈紋

        (2)有針對性開發(fā)特殊結(jié)構(gòu)砂芯防脈紋劑冷芯混砂工藝,從加料設(shè)備、加料順序、混砂時(shí)間、混砂配比等多方面進(jìn)行試驗(yàn)研究,評估不同混砂工藝對砂芯尺寸、材料成本和抗脈紋效果的影響,最終確定最佳工藝。

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