柴油机汽缸盖无冷铁铸造工艺研究

周文虎

(广西嘉德机械股份有限公司，广西 玉林 537000)

1柴油机概述

柴油发动机是以柴油为燃料的发动机。内燃机是自燃式发动机的一部分，通常被称为是内燃机主要发明者的代表，内燃机工作时，内燃机汽缸内的空气温度被活塞运动压得很高，达到500～700 ℃的高温，然后燃油以雾状喷射到高温空气中，与高温空气形成可燃混合物，可燃混合物自动展开。燃烧时所释放的能量作用于活塞顶部，活塞受压，通过连杆和曲轴转换成旋转机械功。

2试验方法

2.1无冷铁铸造工艺浇注系统研究

采用树脂砂铸铁汽缸盖的无冷铁铸造工艺，通过研究铸造合金的凝固特性和汽缸盖的结构特点，保证了汽缸盖的致密性，防止了缩孔、气孔等铸造缺陷的产生，采用从汽缸盖顶部浇注金属液的方法，保证了型腔的均匀、稳定、无冲击、连续充填。采用半定量铸造方法。提出了一种新的低碳合金，该合金充分孕育，采用内外冷冰结合的方法，解决了柴油机缸盖长期漏水的问题，该合金同样适用于柴油机缸盖的铸造。本文采用顶注的方法对汽缸盖上的铁水进行浇注。内燃机汽缸盖采用热态浇口设计，不采用铸态冷却，成品率低。无冷铁铸造工艺简单，制造成本低，产量高，提高了铸件表面质量。

从某柴油机缸体浇注系统的流场分析中可以看出，以浇注系统为尖端时，铁水流量具有较长的稳定期，但稳定期后充填量变化不大，且后期充填稳定时间较长。这样，在铸造过程中，只要内浇口的位置合理，铁水不会分布到型芯上，并且可以直接渗入型芯的底部，铁水流动就会稳定。

直浇道、横浇道的施工和浇注时间的计算，不仅有利于气体和熔渣的顺利排出，而且不会形成芯部，浇注喷嘴和接头可以起到泡沫渣作用。上半封闭裂解体系有利于气体和熔渣在铸造液中的流动。另一个热点模块由铸件顶面计算，整个热点模块由缸盖顶面计算。内浇口位于顶部小热区。内浇口的设置应保证铁水不会损坏型芯，并能平稳地充填。

2.2无冷铁铸造冒口设计研究

顶注雨林半封闭式浇注系统设计完毕后，首先计算铸件主体部分的非冷铸主要热节，铸造顶面两大热节部位设有保温冒口，实现了凝固过程的回缩与排气，形成了自下而上的温度梯度，使金属液最终凝固在冒口处。

首先确定冒口和内浇道的位置，计算热节圆直径D，并在铸件顶部的两大热节处设置隔热层(小热节作为内浇口)。在上爆面，有2个尺寸(D+30)mm的保温冒口。保温层是25 mm厚，支架是Φ(D-10)mm大小。

3结果与分析

以实施案例为例，对研究结果进行了分析。

某柴油机汽缸盖由HT300铸铁件组成，每一汽缸盖2件，上部顶注耐火材料管，2个隔热接收器，使机芯向外通风，改善汽缸盖部件的温度分布，减少缩径误差，采用上部浇铸系统，从汽缸盖顶部至顶上装8处内浇口。通过对缸盖合金材料凝固特性的分析，结合缸盖本身的结构，将2个Φ(D+30)冒口(80 mm)和(D-10)冒口(40 mm)置于浇注平面的厚部(热点圆直径D=50 mm)上(D+30 mm)，既能起到送料作用，又能使型腔内的气体顺利排出，还能起到收渣的作用。与此同时，在顶面放上5根Φ15 mm的出气棒，以排除型腔气体。

通过对图1中柴油机缸盖铸件系统温度场的分析，发现采用上部铸件系统，铸件过程温度迅速降低，约900 ℃；随着温度的降低，液相收缩率降低，当铸件成功充型后，缩孔和缩松的形成将变得更加不利。喷射装置的安装有利于改善缸盖内部分布，减少缩孔和气孔缺陷的形成，同时，从铸件冒口的温度分布看，铸件冒口表面的铁水温度高于铸件内部温度，可提高铸件的补缩效果。

图1某型柴油机缸盖铸造浇冒系统温度场分析

分析结果：柴油机缸盖的铸造方式采用了上述无冷铁注雨淋式浇注工艺，其铸造系统模型见图2。用此方法生产的铸件，在气道、水箱、油流和高压油管上进行了0.8 MPa的水压试验，在燃烧面上进行了20 MPa无泄漏试验，无一次加压泄漏发生。缸盖燃烧面与气门座的硬度、色泽、孔径均符合要求。本文对柴油机缸盖的铸造方法进行了解剖学测试，穿透测试照片如图2所示。对铸造工艺进行了实际检验。

该型柴油机缸盖铸造设计为上述无冷铁、顶注雨淋式浇注工艺，其浇冒系统模型见图2所示。应用该工艺生产的铸件，经对气道、水腔、油道和高压油管进行0.8 MPa水压试验、燃烧面进行20 MPa压力试验，均未出现打压渗漏情况，缸盖燃烧面、气门阀座之间硬度检查达到了要求，经着色和探伤检查也达到要求。对该型柴油机缸盖进行铸造方法解剖验证，铸件内部无缺陷。本铸造方法在该型柴油机缸盖铸造中得到了实际验证。

图2某型柴油机缸盖铸造方法验证

4结语

本文在总结传统铸造工艺经验的基础上，采用上浇法和半封闭式浇注，将铁水从汽缸盖顶部分散引入汽缸盖内，从而为柴油机缸盖提供了一种简便的浇注方法。顶注金属的温度在铸造过程中急剧下降，而随着温度的下降，液体收缩速度加快，冒口铁水的温度比铸件内部的温度高，从而提高补缩效果，有效地控制缩孔和气孔缺陷的产生，形成可靠的铸造工艺。本发明方法控制简便，可提高柴油机缸体铸件的成材率，缩短柴油机研制、生产周期，满足降低铸件气孔率和防渗的质量要求。