一种高牌号蠕墨铸铁气缸盖的铸造工艺设计方法与流程

本发明涉及缸盖铸造技术领域，特别是涉及一种高牌号蠕墨铸铁气缸盖的铸造工艺设计方法。

背景技术：

气缸盖是发动机中结构最复杂，技术含量高的重要零部件，以往中重型发动机气缸盖主流材质：普通灰铸铁、铬钼铜合金灰铸铁、低牌号蠕墨铸铁，但随着发动机技术水平的不断提升，铸件壁厚往轻量化、结构往紧凑化发展，压缩比和功率日益增高，对气缸盖材质性能提出了更高要求，灰铸铁/低牌号蠕铁缸盖的性能已无法满足上述需求。而高牌号蠕墨铸铁材质相比灰铸铁/低牌号蠕铁具有更高的物理力学性能，目前国内国外大排量的发动机气缸盖基本都将材质升级为高牌号蠕墨铸铁。

蠕墨铸铁自身具有铸造工艺性能好的特点，产生缩孔、缩松倾向较小，但随着材质牌号提高，材质牌号超过rut400时，为保证高强度，锡、铜等合金元素加入量高，铁水收缩倾向非常大，再加上现代汽车工业具有典型的大批量生产特点，对气缸盖铸造工艺性提出了更高的要求，工艺设计要求苛刻。

目前高牌号蠕墨铸铁气缸盖铸造工艺设计方法通常采用立浇工艺，根据生产线选择一箱两件布局，生产中由于气缸盖螺栓孔、导管孔以及喷油器孔等热节部位较多，温度场复杂，再加上铸件轻量化带来的壁厚薄壁化，加剧缩孔缩松倾向，另外高牌号蠕墨铸铁本身凝固的特性导致热节部位得不到有效补缩，形成孤立液相区，产生缩孔缩松缺陷。

目前国内行业中，某铸造公司13升气缸盖按rut420牌号验收，并批量应用，但缩孔缩松废品率在10％左右。某铸造公司9升气缸盖按rut450牌号验收，但缩孔缩松废品率在30％左右，因缩孔缩松废品率高而停止生产。其他铸造公司，因高牌号蠕墨铸铁气缸盖的缩孔缩松废品率高达50％～70％，都止于开发阶段。国内行业中气缸盖最高牌号rut420，未有高牌号蠕墨铸铁气缸盖rut450材质批量运用。

现有的技术方案中铸造工艺设计方法的缺点：一是在缸盖螺栓孔、导管孔以及喷油器等热节部位大量使用冷铁工艺改善缩孔缩松缺陷，影响生产效率，相应增加成本；二是浇注系统设计不到位，设计标准没有随着材质的升级而提高，按通常的浇注系统设计，不具备有效补缩功能，直接导致铸件在热节部位产生缩孔缩松缺陷；三是砂芯和型腔排气系统设计不完善，设计标准没有随着材质的升级而提高，不重视砂芯排气功能，部分砂芯没有排气通道，导致内腔砂芯在浇注过程中产生的气体不能及时排出被卷入铁水中，在热节部位产生气缩孔缺陷；四是缩孔缩松废品率高。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

技术实现要素：

本发明目的在于提出一种成本低、生产效率高、铸件缩孔缩松废品率控制在2％以下，废品率低的高牌号蠕墨铸铁气缸盖的铸造方法。

为此，本发明提出一种高牌号蠕墨铸铁气缸盖的铸造工艺设计方法。

优选地，本发明还可以具有如下技术特征：

一种高牌号蠕墨铸铁气缸盖的铸造工艺设计方法，采用一箱两件立浇工艺，包括如下步骤：

s1、确定浇注系统为中注式，浇注系统设计在两个组合芯之间，全包砂芯设计；所述组合芯的内部形成气缸盖型腔，其包括底盘芯和盖盘芯；

s2、确定内浇口的位置，内浇口的位置设在铸件螺栓孔热节部位附近；在所述底盘芯的底面设计浇注系统，2个底盘芯的底面各形成一半浇注系统，合芯后2个底盘芯的底面形成完整的浇注系统；

s3、确定排气系统形成方式；

s4、确定气缸盖底面和顶面的螺栓孔、导管孔以及喷油器孔的热节部位采用无冷铁工艺；

s5、将气缸盖所有砂芯进行组芯合芯，并用锁芯螺杆锁紧，然后进行下芯，合箱，等待浇注；

s6、铸件浇注。

进一步地，浇注系统采用封闭-开放式类型，采用顺序凝固和同时凝固相结合的“较弱顺序凝固”原则设计内浇道。

进一步地，在步骤s2中，内浇口中心到气缸盖螺栓孔中心的竖直方向的距离ol＝d/4～d/2，其中，d表示气缸盖螺栓孔凸台直径，内浇口中心位于螺栓孔中心的上方。

进一步地，在步骤s2中，选择圆形内浇口和补缩内浇道，内浇口凝固时间同时或稍晚于铸件螺栓孔热节部位，通过铸件热节部位需要补缩的模数计算确定以下尺寸，包括：

d为气缸盖螺栓孔凸台直径；

确定内浇口尺寸取值a＝d/3～2d/3，拔模取值3°～10°；

确定补缩内浇道凸台直径取值b＝3d/2～2d；

确定补缩内浇道凸台面到内浇口距离c＝d/3～2d/3。

进一步地，所述浇注系统包括浇杯、直浇道、分直浇道、横浇道、分横浇道、内浇道，所述横浇道的左端与直浇道的下端连通，右端与所述分直浇道的上端连通；所述分直浇道的下端与所述分横浇道的右端连通；所述分横浇道上设有若干个内浇道。分横浇道的宽a和高b取值范围，a≤b，内浇口中心到分横浇道顶部的距离为b1，内浇口中心到分横浇道底部的距离为b2，b1+b2＝b，b1≥b2。

进一步地，采用封闭-开放式浇注系统结构，直浇道的截面积f直，横浇道的截面积f横1，最小阻流面积f阻，分横浇道截面积f分横，内浇口总面积f总内，浇注系统各单元断面比例关系为：f直＞f横1＞f阻＜f分横≤f总内，f直：f横1：f阻：f分横：f总内＝1.3～1.5：1.2～1.4：1.0：1.3～2：1.5～3。

进一步地，如理论最小阻流面为ac，那么确定最小阻流面积取值f阻＝2ac～3ac。

进一步地，所述横浇道从左到右分别为本体、缓流段、集渣包，所述集渣包的高度h2≥缓流段的高度h1；缓流段的截面积f横2＝2f直～3f直。

进一步地，在步骤s3中，在底盘芯和盖面芯背面设计排气通道，型腔排气面积总和大于浇注系统最小的阻流面积；在热节部位的排气芯头或内腔砂芯的厚大部位钻排气孔，排气孔的深度根据砂芯的长短决定。

进一步地，浇注系统干涉到内腔砂芯排气芯头时，受干涉的部位采用间接排气法排气；设计间接排气结构，间接排气通道边缘与浇注系统边缘安全距离a≥10mm；间接排气通道顶部与型腔表面的距离6mm≤b≤12mm；间接排气通道围绕内腔砂芯的排气芯头四周，设计2个到4个间接排气通道。

本发明与现有技术对比的有益效果包括：本发明采用无冷铁工艺铸造，简化工艺流程，成本低、生产效率高；通过合理设计内浇口位置，铸件缩孔缩松废品率控制在2％以下，废品率低。

附图说明

图1是本发明的浇注效果图。

图2是本发明的内浇口对应铸件上的位置示意图。

图3是本发明的浇注系统补缩尺寸示意图。

图4是本发明的浇注系统主视图。

图5是本发明的浇注系统的立体图。

图6是本发明的气缸盖铸件本身热节特性分析示意图。

图7是本发明的排气系统示意图。

具体实施方式

为便于准确理解，以下是后文中将出现的技术术语的准确定义：

“f直”是指直浇道的截面积；“f横1”是指横浇道的截面积；“f横2”是指横浇道的缓流段截面积；“f阻”是指最小阻流面积；“f分横”是指分横浇道截面积；“f总内”是指内浇口总面积。

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明作进一步详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参照以下附图，将描述非限制性和非排他性的实施例，其中相同的附图标记表示相同的部件，除非另外特别说明。

一种高牌号蠕墨铸铁气缸盖的铸造工艺设计方法，采用一箱两件立浇工艺，包括如下步骤：

s1、确定浇注系统为中注式，浇注系统设计在左组合芯1和右组合芯2之间，全包砂芯；组合芯的内部形成气缸盖型腔7，组合芯包括底盘芯10和盖盘芯6；

s2、确定内浇口的位置，内浇口的位置设在铸件螺栓孔热节部位附近。气缸盖铸件本身热节特性分析(见图6)，可见，气缸盖螺栓孔、导管孔以及喷油器孔等是热节部位，箭头所指螺栓孔是最大热节处。内浇口位置的选定最为关键，直接关系最终的补缩效果，距离热节中心太远，达不到补缩作用而产生缩孔缺陷；距离热节中心太近，反而会在内浇口与铸件交界处形成接触热节产生缩孔缩松缺陷。在每个螺栓孔热节部位附近设计一个内浇口，内浇道补缩通道，使得补缩金属液能够到达那些需要补缩的部位，各热节部位得到充分补缩而不产生缩孔缩松。在底盘芯10的底面设计浇注系统，2个底盘芯10的底面各形成一半浇注系统，合芯后2个底盘芯10的底面形成完整的浇注系统3。

s3、确定排气系统形成方式；

s4、确定气缸盖底面和顶面的螺栓孔、导管孔以及喷油器孔的热节部位采用无冷铁工艺；

s5、将气缸盖所有砂芯进行组芯合芯，并用锁芯螺杆锁紧，然后进行下芯，合箱，等待浇注；

s6、铸件浇注。

浇注系统采用封闭-开放式类型，采用顺序凝固和同时凝固相结合的所谓“较弱顺序凝固”原则安排设计内浇道。

在步骤s2中,螺栓孔、导管孔以及喷油器孔热节部位在底盘芯和顶面芯上形成，制作底盘芯10和顶面芯，不需要在螺栓孔、导管孔以及喷油器孔的热节部位手工或机器人放置冷铁。如在13升重型气缸盖，材质为高牌号蠕墨铸铁(rut450)，铁水收缩倾向非常大，气缸盖的螺栓孔、导管孔以及喷油器孔等是最大的热节部位，温度场复杂，再加上铸件基本壁厚5.5mm，加剧热节部位的缩孔缩松倾向。而通过采用本发明的技术工艺，浇注过程中无需加装冷铁，不仅可以缩减工艺流程、提高工作效率，还可以除去冷铁使用成本，将铸件缩孔缩松废品率控制在2％以下。该效果显著优于现有高牌号蠕墨铸铁(rut450)工艺(现有高牌号蠕墨铸铁(rut450)铸造工艺废品率10％以上)。

关于内浇口38更具体的说明。参照图2，内浇口中心4到气缸盖螺栓孔中心5在竖直方向的距离ol＝d/4～d/2，其中，d表示气缸盖(铸件)螺栓孔凸台直径，内浇口中心位于螺栓孔中心的上方。本实施方式中的高牌号蠕墨铸铁(rut450)铸造工艺中，每个铸件共7处内浇口位置，由于铸件前端和后端的螺栓孔热节比中间几处螺栓孔热节大，热节越大，相应的内浇口位置远离热节中心，避免内浇口与铸件交界处形成接触热节，因而浇注系统前端和后端的内浇口中心到螺栓孔中心的竖直方向上的距离取值偏上限。

浇注系统内浇口38尺寸和补缩内浇道尺寸确定。选择圆形内浇口和补缩内浇道，根据内热节大小、结构尺寸等要素确定内浇口的尺寸，使得内浇口凝固时间同时或稍晚于铸件螺栓孔热节，通过铸件热节部位需要补缩的模数计算确定以下尺寸，参照图3，确定尺寸参数，包括：

确定内浇口尺寸取值a＝d/3～2d/3，拔模取值3°～10°，铸件前端和后端的螺栓孔热节比中间几处螺栓孔热节大，热节越大，相应的内浇口尺寸偏小，避免内浇口与铸件交界处形成接触热节，浇注系统前端和后端的内浇口尺寸取值a偏下限。(d为气缸盖螺栓孔凸台直径)；

确定补缩内浇道凸台直径取值b＝3d/2～2d。(d为气缸盖螺栓孔凸台直径)；

确定补缩内浇道凸台面到内浇口距离c＝d/3～2d/3，铸件前端和后端的螺栓孔热节比中间几处螺栓孔热节大，热节越大，相应的内浇口距离偏大，避免内浇口与铸件交界处形成接触热节，浇注系统前端和后端的内浇道凸台面到内浇口距离c取值偏上限。(d为气缸盖螺栓孔凸台直径)。

浇注系统还包括分横浇道，分横浇道尺寸确定。分横浇道也是铸件补缩系统的一部分，给补缩内浇道提供补缩动力，宽和高取值范围(见图3)，a≤b，内浇口中心到分横浇道顶部的距离为b1，内浇口中心到分横浇道底部的距离为b2，b1+b2＝b，b1≥b2。分横浇道与铸件距离有一定的范围，离铸件太近，浇注系统热源会直接影响铸件螺栓孔热节部位，延长热节部位的凝固时间，加大热节缩孔缩松倾向，确定分横浇道到内浇口面距离d取值为2c≤d≤2d。

确定浇注系统最小阻流面。横浇道是引导金属液从直浇道到内浇道的通道，在横浇道上设置集渣包冒口，在集渣包之后，内浇道之前设计阻流。在本补缩型浇注系统设计的阻流不同于普通浇注系统，功能即要阻流，也要为内浇道提供补缩压头，阻流断面设计在分横浇道前端(见图4)，在铸件凝固前，集渣包提供补缩动力给内浇道补缩，凝固时间晚于内浇道，理论的计算阻流公式如下：

铸件全部在下箱时，阻流截面尺寸：

(1)根据产品结构、分型面位置、内浇口位置、铸件壁厚等选择适宜的充型摩擦系数fr；

(2)确定浇注铁水的总体积v；

(3)vd包括铸件体积、冒口体积、阻流后的浇注系统体积；

(4)vd＝重量/密度,对于铁液,密度＝0.0072kg/cm³；

(5)确定直浇道静压头的高度h，h＝h0-p/c(p：分型面内浇口以上的铸件高度；h0：分型面内浇口以上砂型高度，c：铸件高度)；

(6)确定铸件上箱的高度b；

(7)阻流截面处铁水流速：g＝重力加速度＝981cm/s²；

(8)t是浇注时间。

按正常取阻流为ac时，断面面值过小，最小断面的凝固时间早于补缩内浇道，不能给内浇道提供足够的补缩动力，热节部位产生缩孔缩松缺陷；如果阻流取值过大，内浇口的流速加大，砂型、砂芯容易冲蚀，铁水充型不平稳、容易氧化，铸件产生气孔倾向、氧化夹杂，薄壁铸件密封性不高，质量差，两者相矛盾。结合f阻：f总内＝1.0：1.5～3比例，确定最小阻流面积取值f阻＝2ac～3ac，功能即要阻流，也要为内浇道提供补缩压力。

确定采用封闭-开放式浇注系统(见图4)，直浇道的截面积f直，横浇道的截面积f横1，最小阻流面积f阻，分横浇道截面积f分横，内浇口总面积f总内，浇注系统各单元断面比例确定：f直＞f横1＞f阻＜f分横≤f总内，f直：f横1：f阻：f分横：f总内＝1.3～1.5：1.2～1.4：1.0：1.3～2：1.5～3。结构优点：铁水内浇口流速低，砂型、砂芯不容易冲蚀，铁水充型平稳、不容易氧化，集渣效果好，铸件产生气孔倾向、氧化夹杂倾小，薄壁铸件密封性高。其他比例中包括：f直：f横1：f阻：f分横：f总内＝1.3～1.5：1.2～1.4：1.0：1.3～2：1.9～3。

横浇道是浇注系统中挡渣的主要单元，为此需要在横浇道内降低铁液流速，对铸铁冶金质量进行的试验，试验表明铁水流速30cm/秒以下为合适，集渣包前的f横2横浇道即是缓流段，也是给阻流和内浇道提供补缩压力，流量速度v流＝w/t(kg/s)，w＝铸件总重量(kg)；t＝浇注时间(s)；确定缓流段的截面积f横2高度h1≥100mm，缓流段的截面积f横2＝2f直～3f直。铁水充型完成后，在铸件凝固前，集渣包提供补缩动力给内浇道补缩，确定集渣包的高度h2≥h1。

在步骤s3中，参照图7，在底盘芯10和盖面芯6背面设计排气通道，排气的内腔砂芯8包括气道芯和水套芯。所述排气系统包括型腔排气、内腔砂芯排气。型腔排气面积总和大于铸件浇注系统最小的阻流面积f阻。

各内腔砂芯8的排气都是依靠底盘芯10和盖盘芯6的排气通道，把浇注过程中产生的气体排除内腔外。因浇注系统在底盘芯10的底面直接形成，如浇注系统局部位置11干涉到部分内腔砂芯8(水套芯和气道芯)的排气通道，那么将受干涉的内腔砂芯排气通道设计为间接排气方式，其他无干涉的排气芯头，每个内腔砂芯排气芯头直接对着直接排气通道排气，气体通过直接排气通道排出砂芯外。

内腔砂芯，特别是各砂芯的热节部位，最容易卷入气体，通过仿真模拟结果和理论经验，在热节部位的内腔砂芯排气芯头或内腔砂芯的厚大部位钻排气孔9，排气孔9的深度根据砂芯的长短决定，缩短内腔砂芯热节部位的排气距离加强排气，预防气缩孔缺陷的产生。

关于间接排气的设计。因浇注系统在底盘芯的背面直接形成，干涉到部分内腔砂芯排气芯头(水套芯和气道芯)的排气，这部分内腔砂芯排气芯头无法排气，气体就会很容易被吸入附近的热节部位，形成气缩孔或气孔缺陷。设计间接排气结构，尽可能把内腔砂芯产生的气体排出，间接排气通道12边缘与浇注系统边缘安全距离a≥10mm，预防铁水进入间接排气通道内，堵塞排气功能；间接排气通道顶部与型腔表面的距离6mm≤b≤12mm，这个距离排气效果最佳，刚好是铁水在凝固前能够烧透的砂芯表层距离；在满足a、b条件下，间接排气通道与内腔砂芯排气芯头的水平距离c的取值越小，排气效果越好；间接排气通道围绕排气芯头四周，设计2个到4个，增强排气效果。

应用在上述高牌号蠕墨铸铁气缸盖的铸造工艺设计方法的浇注系统，所述浇注系统为封闭-开放式结构其包括浇杯31、直浇道32、分直浇道34、横浇道37、分横浇道36、内浇道，所述横浇道37的左端与直浇道32的下端连通，右端与所述分直浇道34的上端连通；所述分直浇道34的下端与所述分横浇道36的右端连通；所述分横浇道36上设有若干个内浇道。浇注系统各单元断面比例关系为：f直＞f横1＞f阻＜f分横≤f总内，f直：f横1：f阻：f分横：f总内＝1.3～1.5：1.2～1.4：1.0：1.3～2：1.5～3。其他比例中包括：f直：f横1：f阻：f分横：f总内＝1.3～1.5：1.2～1.4：1.0：1.3～2：1.9～3。

所述横浇道37从左到右分别为主体段、缓流段、集渣包33，在具体实施时，集渣包33的高度h2≥缓流段的高度h1(h1≥100mm)，缓流段的截面积f横2＝2f直～3f直。所述分直浇道34和横浇道37的连接处设有滤网39，优选为泡沫陶瓷过滤网。所述分直浇道34为y形结构，其上部的分叉分别与横浇道37的缓流段、集渣包33连通。最小阻流面设在分直浇道34的下部。

本领域技术人员将认识到，对以上描述做出众多变通是可能的，所以实施例和附图仅是用来描述一个或多个特定实施方式。

尽管已经描述和叙述了被看作本发明的示范实施例，本领域技术人员将会明白，可以对其作出各种改变和替换，而不会脱离本发明的精神。另外，可以做出许多修改以将特定情况适配到本发明的教义，而不会脱离在此描述的本发明中心概念。所以，本发明不受限于在此披露的特定实施例，但本发明可能还包括属于本发明范围的所有实施例及其等同物。