Литье головки блока цилиндров

Головка цилиндра, как никакая другая деталь или узел двигателя, определяет его эксплуатационные характеристики, в частности, выходную мощность, крутящий момент, количество и свойства выхлопных газов, потребление топлива, уровень шума. Головка цилиндра включает основные элементы для механического контроля газообмена или сжигания. Здесь особую роль играет клапанное регулирование.

Желательно как можно раньше определить метод литья головки цилиндра. При разработке технического проекта головки цилиндра рекомендуется учитывать опыт как в сфере литья, так и в сфере изготовления моделей. Не все методы литья позволяют получить требуемые формы. Форма и расположение впускного и выпускного каналов, равно как и форма камеры сгорания, в первую очередь определяют форму головки цилиндра. Более того, диаметр цилиндра и расстояние между цилиндрами также влияют на основные геометрические характеристики.
Так как сгорание топлива сопровождается высокими температурами (в том числе и внутри головки цилиндра), очень важно разработать правильную концепцию охлаждения. Охлаждающий агент, как правило, подается на нижнюю поверхность головки цилиндра через прокладку головки цилиндра в картере и через многочисленные отверстия. Из всех возможных систем охлаждения (например, поперечное охлаждение, продольное охлаждение или их комбинация) оптимальная система охлаждения выбирается с использованием соответствующих моделей. Возможные критические участки выявляются уже на раннем этапе.
Каналы для системы водяного охлаждения и подачи смазки часто очень тонкие. На сегодняшний день это является наиболее сложной задачей для литейных производств при изготовлении головок цилиндров, так как даже незначительные изменения в технологическом процессе могут вызвать необходимость доработки или даже отбраковки детали.

Методы литья


При изготовлении головок цилиндров двигателей внутреннего сгорания предъявляются высокие требования к механическим свойствам материалов при температурах выше 150 °C. Современные головки цилиндров (в особенности это касается дизельных двигателей с прямым впрыском) отличаются более сложной формой и растущими напряжениями при эксплуатации.
В зависимости от предъявляемых к двигателю требований и используемого метода литья для изготовления головок цилиндров используются различные материалы. Помимо алюминия, для больших двигателей и грузового автотранспорта можно также использовать литейные чугуны. За немногими исключениями именно алюминий используется для двигателей легковых автомобилей. С учетом давления при воспламенении, которое составляет 150 бар, следует использовать специальные сплавы, отвечающие самым высоким требованиям с точки зрения

  • высокой прочности на растяжение и высокого сопротивления ползучести в диапазоне от комнатной температуры до 250 °C;
  • высокой теплопроводности;
  • низкой пористости;
  • высокой пластичности и упругости при высоком сопротивлении тепловым ударам;
  • хороших литейных свойств и склонности к образованию горячих трещин.

Инструменты моделирования, например, моделирование заполнения литейной формы и кристаллизации в процессе литья, активно используются уже на этапе планирования новой детали. Это позволяет определить оптимальное соотношение всех целевых параметров.
На сегодняшний день широкое распространение получили следующие методы литья:

  • литье в песчаную форму;
  • литье в кокиль;
  • литье по газифицируемым моделям;
  • литье под давлением.

При литье в песчаную форму и литейная форма, и стержень изготавливаются на основе кварцевого или других специальных видов песка. Как правило, для подготовки литейной формы используются бентонитовые связующие, а для подготовки стержней – химические связующие.
Сложные геометрические формы элементов (даже при наличии вырезов) можно легко получить при использовании литейной формы из химически связанных материалов и литья в стержневые пакеты. Еще одним преимуществом данных методов является экономически эффективное производство даже при небольшом количестве производимой продукции и возможность относительно быстрого внесения изменений. Преимуществом литья в стержневые пакеты (при данном методе литья все профили детали представлены песчаными стержнями) является то, что температура отливаемой детали в период между литьем и кристаллизацией, как правило, не опускается ниже 500 °C. Данный метод литья позволяет обеспечить низкие напряжения и высокую точность размеров.
Метод литья в песчаную форму при низком давлении рекомендуется применять для изготовления прототипов и мелкосерийного производства. Метал поступает в литейную форму по вертикальной трубе под давлением приблизительно 0,1-0,5 бар. Постоянное давление, которое поддерживается и в процессе кристаллизации, позволяет получить структуру очень высокого качества.

Кокили, изготовленные из серого литейного чугуна или сталей для работы при высоких температурах, используются для получения легких сплавов. Как и при литье в песчаную форму, стержни устанавливаются в литейную форму. Различают два вида литья в кокиль: собственно кокильное литье и литье под низким давлением.

Литье по газифицируемым моделям фактически является разновидностью литья в песчаную форму. Различные слои головки цилиндра получают путем вспенивания и последующего склеивания между собой слоев полистирола. При использовании данного метода две модели головки цилиндра соединяются между собой посредством литниковой системы и прибылей, образуя так называемый блок моделей. Этот блок моделей затем несколько раз погружают в керамическое покрытие и высушивают потоком воздуха. Блок моделей помещают в S-образную трубу и засыпают рыхлым песком. После этого можно приступать к литью. При заполнении литейной формы полистирол превращается в газ. Одним из преимуществ данного метода литья является возможность изготавливать детали с толщиной стенки 4 мм. Кроме того, можно изготовить каналы для подачи смазки любой формы и обеспечить намного более высокую точность допусков в камере сгорания. Необходимая механическая обработка при этом сводится к минимуму.

Кокили, изготовленные из серого литейного чугуна или сталей для работы при высоких температурах, используются для литья под давлением. Перед каждым циклом литья формы следует обрабатывать разделительным составом.

Перспективы технологии изготовления головок цилиндра


Дальнейшее совершенствование изготовления головок цилиндра будет направлено на использование более легких конструкций, более прочных материалов и более экономически эффективных технологий. Применение многоходовых клапанов (в том числе и для дизельных двигателей) позволит оптимизировать газообмен и повысить удельную мощность цилиндра. Параметры двигателей (в частности, расход топлива и характеристики выбросов) также непрерывно совершенствуются. Выполнение данных требований является основной задачей для разработчиков.

Комплексные решения для литья головок цилиндра

Помимо точных геометрических размеров детали, следует заранее учитывать возможные методы литья и формовки. Только так можно получить оптимальную отливку в условиях серийного производства. Вдобавок к различным изменениям конструкции, стадия экспериментального производства позволяет получить предварительные данные о свойствах деталей, количестве брака и необходимых доработках. Не позднее, чем до начала серийного производства очень важно располагать информацией о браке и, в конечном итоге, обо всех факторах, ограничивающих выходную мощность. Только так можно достичь высокой производительности при небольших затратах и иметь возможность удерживать указанную цену детали.
Как уже говорилось выше, головка цилиндра – это именно та деталь, которая в основном определяет свойства двигателя. Уменьшение размеров двигателя сопровождается непрерывным уменьшением массы головки цилиндра, отлитой как из чугуна, так и из алюминия. В то же время к детали предъявляются все более жесткие требования. Тесное сотрудничество между изготовителями моделей, литейщиками и проектировщиками в самом начале разработки новых решений позволяет выделить главные цели.
Значение используемых в технологическом процессе реактивов также непрерывно растет. Именно от них зависит надежность детали на протяжении всего срока ее службы. На сегодняшний день инструменты моделирования процессов заполнения литейной формы и кристаллизации находятся на высоком техническом уровне. Помимо четко установленных процессов, при плавке и очистке расплавленного литейного металла
требуются максимально чистые шихтовые материалы и очищающие составы.
При изготовлении форм, и в особенности при изготовлении стержней, следует удостовериться, что все используемые базовые формовочные материалы и связующие гарантируют хорошую размерную стабильность стержней или стержневых пакетов. При чугунном литье могут также использоваться присадки и огнеупорные покрытия. Вследствие того, что толщина стенок стержней кожуха водяного охлаждения, а также стержней каналов для подачи смазки, уменьшилась до 4 мм, связующие песчаных литейных стержней должны гарантировать их высокую начальную прочность. Это означает, что при обращении со стержнем он не будет разрушен.
Используемое связующее в процессе литья и кристаллизации должно обладать высокой прочностью в нагретом состоянии. Это позволит исключить опасность разрушения стержня и недостаточную стабильность размеров даже в критических условиях применения филигранных стержней. Однако, в то же время, связующее должно обеспечивать легкое извлечение стержня. Это особенно очевидно при алюминиевом литье. Пузырьковые дефекты и микропористость детали приводят к образованию течей. Обычно такие детали отбраковываются. Чтобы свести риск к минимуму, необходимо вкладывать инвестиции в совершенствование процесса заполнения литейной формы. Данный процесс должен протекать как можно более равномерно и спокойно. К тому же, важно учитывать и правильно организовать удаление стержневых газов. В целом, связующее следует разрабатывать таким образом, чтобы минимизировать выделение газов и прочих выбросов. Выброс газа из связующего в процессе литья следует координировать с учетом литейного металла и периода кристаллизации. Это же касается и присадок. При использовании покрытий газопроницаемость изделия должна соответствовать технологическому процессу.
Помимо сказанного выше, в чугунных отливках возможно пленообразование. Здесь огромное влияние оказывают расширение песка как базового формовочного материала, выброс газа из связующих, газопроницаемость покрытия и прочность формовочной смеси. Однако все перечисленные выше параметры могут лишь частично компенсировать дефекты, возникающие при заполнении литейной формы и последующем нагревании
соответствующего участка формы. Главная задача при чугунном литье – предотвратить образование металлизации, проникновений и/или ужимин. Металлизацию и проникновения можно предупредить, прежде всего, выбрав правильное покрытие, которое должно соответствовать одновременно и формовочному материалу, и литейному металлу, и исключать протекание нежелательных химических реакций. Образование ужимин, особенно на кожухе водяного охлаждения и каналах для подачи смазки, является актуальной проблемой. В большинстве случаев меры по устранению и профилактике данного дефекта
заключаются в правильном выборе формовочного материала или целенаправленном использовании добавок к формовочной смеси. Появление шероховатостей на поверхности впускного и выпускного каналов можно предотвратить, выбрав формовочную смесь необходимого гранулометрического состава, либо применяя покрытие, которое заполняет зазоры между порами песчинок.
Однако проблемы имеют не только технический характер. Используемые шихтовые материалы должны быть максимально безопасными для окружающей среды. Сегодня сотрудники, местные жители из окрестностей литейного предприятия и власти в высшей степени заинтересованы в минимизации вредных выбросов, запаха,
дымовых газов и конденсата и их полном соответствии требованиям охраны труда на производстве.