汽缸盖铸件

发动机汽缸盖能决定发动机运行时的诸多性能,如输出功率、扭矩和尾气排放行为、耗油量和噪音,这些是其他组件所无法实现的。因为它包含可机械控制气体交换和燃烧的关键因素。在此,阀门控制的作用非常明显。

从一开始就应决定浇铸汽缸盖的方案。我们建议铸造专家和模具专家在汽缸盖草图设计最初就应该介入进来。汽缸盖所需的几何形状并不适用于所有铸造方式。进气和排气管道的形状与位置,以及燃烧室的形状在很大程度上决定了汽缸盖的整体形状。而且,汽缸内径和汽缸之间的距离也会大大地影响汽缸盖的基本形状。
由于燃料燃烧在汽缸盖内也会形成高温,因此,设计合适的冷却方法非常重要。冷却剂通常可通过曲轴箱的汽缸盖垫片和多处开口进入汽缸盖下端。在所有可能的冷却系统(如横流式冷却、纵流式冷却或二者结合)中,通过合适的模型模拟可找到最佳的冷却系统,而且还能在早期就找到可能的关键区域。
如今的水冷通道和油道一般都非常精密,对汽缸盖制造行业的工程师来说这是一项巨大的挑战,因为整个工艺中任何微小的改变都可能导致返工或铸件报废。

铸造方式


用于内燃机的汽缸盖对材料在150°C以上环境中的机械性能有着很高的要求。对于新开发出的用于直喷柴油发动机的汽缸盖来说,其形状的复杂程度和运行过程中的压力级别更是有着明显的提升。
根据发动机的要求和不同的铸造方式,在生产汽缸盖时需要选择不同的材料。除了铝,还可使用铸铁材料来制造用于大型发动机和商用车的汽缸盖。除了少数例外,乘用车发动机领域一般都采用铝材料。当点火压力达到150巴时,需要使用能在以下方面满足最高要求的合金

  • 在室温到250℃之间需有高强度和高抗蠕变性
  • 热传导性佳
  • 低孔隙度
  • 高韧性和弹性,高抗热震性
  • 良好的铸造性能,不易受热裂影响

在生产新组件时,人们从最初的设计阶段便已开始大量使用模拟工具(例如在浇铸过程的充型和凝固行为中),以找到最合适的参数。
今天,以下铸造方式已被广泛传播:

  • 砂铸
  • 金属型铸造
  • 消失模铸造
  • 高压铸造

在砂铸中,外模和型芯都是以石英砂或特种砂为基础进行制造。通常,外模使用的是膨润土粘合剂,而型芯使用的则是化学粘合剂。
在组芯造型中,使用化学粘合能实现非常复杂的组件形状(甚至包括咬边)。这种方法的另一个优点是即便在少量生产时的成本也不会太高,而且可以相对较为快速地对产品进行修改。
使用组芯造型时,所有的组件轮廓都用砂芯来组合,其优点是铸件各个区域在浇铸到凝固过程中温度通常不会低于500℃。这就在极大程度上降低了铸造过程中的应力,实现尺寸高精度。
低压砂铸方法适合用于生产样件和小批量的产品。熔液可通过立管进入模型中,并保持在约0.1到0.5巴的压力下。由于凝固过程中仍保有这样的压力,因此可保证产品高质量的结构。

由灰铁或钢材制成的金属模被用来生产轻金属合金。和砂铸一样,型芯也被放在铸模中。金属型铸造可分为重力浇铸和低压浇铸。

消失模铸造方法本质上是一种特殊的砂铸法。汽缸盖的各个片层使用发泡聚苯乙烯材料制成,之后再彼此粘结。使用这种方法时,两个汽缸盖模型和浇铸系统及冒口组合成我们所说的白模。随后,这些白模重复的浸入涂料中,并通过气流的方式烘干。白模在被放入砂箱并添加疏松的干砂后进行浇铸。在充型时,聚苯乙烯燃烧并转换成气体。这种铸造方法的一个优点是壁厚达4毫米的孔眼可以通过这个工艺来实现。此外,它还能制造任何形状的油道,并实现燃烧室里更加精确的公差,将后期机加降至最低。

经过热处理加工的钢质金属模被用在高压铸造中。在每次“射芯”前,模具必须使用脱模剂。

汽缸盖技术的前景


汽缸盖技术未来会朝着轻量化设计、更高强度的材料和更具成本效率的生产工艺发展。使用多阀门技术(柴油发动机中也一样)将使其进一步优化气体交换,提高专门的汽缸功率。在油耗与尾气排放方面,发动机的性能也将不断得到改良。对设计师来说,不时面对这样的新需求将是他们最大的挑战。

汽缸盖铸件的系统解决方案

为了能在批量生产时获得最佳的铸件,除了铸件确切的形状,还需要预先考虑可能的浇铸方式和造型工艺。除了结构上的改变,通过试生产还能对将来生产出的铸件特性、废品及返工情况有一定的了解。至少在开始批量生产前需要严格控制废品及所有限制产出的因素,这点非常重要。这是唯一能控制铸件成本,并同时获得高产量和低成本的方法。
如上所述,汽缸盖是决定发动机性能的主要组件之一。无论在铸铁还是铸铝中,小型化均可保证有效降低汽缸盖的重量。而同时,对铸件的要求也正在不断增高。在开始新的开发工作时,模具供应商、工程师和设计者之间的紧密合作是唯一能避免分歧的办法。
为了保证组件在汽车整个使用寿命中的可靠性,生产流程中使用的试剂也已变得越来越重要。今天,用来模拟充型过程和凝固过程的软件已经达到了最新的技术水平。除了需要明确定义的工艺,金属的熔炼和预处理还需要最干净的原料和处理剂。
在造型,尤其是制芯过程中,必须确保使用的造型材料和粘合剂在砂芯或砂包在尺寸上具有良好的一致性。在铸铁中,可能还会使用添加剂和耐火涂料。由于水套芯和油道芯的壁厚被降低到4毫米,因此需要砂芯具有较高的初始强度,以保证砂芯不会发生断裂。
使用的粘合剂在浇铸和凝固过程中必须具有高热强度,以确保在制造精细砂芯所需的严苛条件下也可排除断裂或尺寸不稳定的风险。但同时,粘合剂也要有好的溃散性。当铸铝时,尤其明显。铸件中的气孔缺陷和缩松会导致渗漏,并进而导致废品。为使这种风险降到最低,充型时尽量保持稳定非常重要。此外,考虑砂芯中的气体生成并以合适的方法将其排除也非常重要。总体来说,粘合剂必须设计为能将发气和其他排放物控制在最低水平。浇铸过程中从粘合剂中发气的过程必须控制在金属凝固之后。添加剂也一样。如果使用了涂料,产品的透气性也必须适合整个工艺。
此外,铸铁还可能产生夹渣。造型基础材料的粒形膨胀、粘合剂的发气、涂料的透气性,以及造型材料混合强度等对此有着很大的影响,但这也只能在有限的范围内弥补充型过程和模具截面相应的升温过程中产生的缺陷。铸铁的一大挑战是避免粘砂和脉纹。通过选择正确的涂料可防止粘砂,为避免有害的化学反应,所选择的涂料还必须与造型材料和浇铸金属相协调。

脉纹,尤其是在水套芯和油道芯中,是铸铁里一个不断出现的难题。在大部分情况下,通过选择合适的造型材料或使用特定的型砂添加剂可有效地弥补或阻止这种缺陷的发生。进排气表面粗糙的问题可通过所使用的造型材料的粒度分布来解决,或使用涂料来填充砂粒间孔隙。

 

除了解决纯粹的技术问题,生产工艺中使用的原料还必须尽可能环保。今天,员工、铸造厂附近的居民,以及政府都希望能将有害排放、臭味、烟气和焦油的量控制到最小。