Литье блока цилиндров двигателя

Одной из целей при создании мощных и технически совершенных двигателей является уменьшение потребления топлива и выбросов выхлопных газов. Однако для достижения данной цели обязательным является обеспечение высокой экономической эффективности (т. е. снижение затрат). Изготовители, при поддержке поставщиков автомобилестроения, провели огромное количество мероприятий и внедрили в серийное производство целый ряд опытно-конструкторских разработок. 


В целом можно выделить различия между внутренними и внешними модификациями двигателя. Для оптимизации выбросов выхлопных газов важную роль играет постоянное внедрение дополнительной очистки
выхлопных газов внутри транспортного средства с использованием катализатора или фильтра твердых частиц
выхлопа дизельных двигателей. Интеллектуальные системы управления, такие как система автоматического пуска и остановки и, в первую очередь, частичная отсечка цилиндров 12-цилиндрового двигателя, подтверждают актуальность данной тенденции. Внутренние модификации двигателя могут включать изменения картера двигателя, что, в свою очередь, порождает новые требования и стимулирует совершенствование технологий литейного производства как поставщика для автомобилестроения.
Так как картер является самым большим элементом двигателя, огромное внимание следует уделять уменьшению расхода топлива за счет снижения массы. Простое практическое правило гласит: при снижении массы легкового автомобиля на 100 кг, расход топлива уменьшается на 0,3 л на 100 км. Поэтому первостепенное значение имеет разработка материалов для картера двигателя. Масса детали, в первую очередь, зависит от таких характеристик материала, как плотность и динамическая прочность. Литейный чугун в качестве материала для картеров двигателей относительно устарел.

Серийное производство картеров двигателей из алюминиевых сплавов, которое началось намного позднее, стало ключевым фактором изготовления легковых автомобилей. По сути, основным недостатком обычного литейного чугуна по сравнению с алюминием является его более высокая плотность (7,2 г/см3). До настоящего времени картеры грузовых автомобилей изготавливаются, как правило, из литейного чугуна. Сегодня эти два материала конкурируют между собой за право использоваться для изготовления картеров целого ряда легковых автомобилей.
Следующей ключевой тенденцией является «уменьшение размеров». Уменьшение размеров предполагает замену двигателей большого объема двигателями меньшего рабочего объема, но по крайней мере аналогичной мощности. Расход топлива и количество выхлопных газов можно уменьшить, обеспечив более высокую мощность при аналогичной массе двигателя или аналогичном рабочем объеме. Поэтому удельная мощность на единицу массы и выходная мощность на литр топлива являются основными показателями для уменьшения размеров двигателя. Применение наддува позволяет улучшить данные параметры.
Следует отметить постепенную эволюцию от двигателя без наддува к двигателю с наддувом и турбонаддувом. Соответствующими деталями двигателя являются нагнетатель наддува и турбонагнетатель. Высокопроизводительный 4-цилиндровый однорядный двигатель с турбонаддувом является альтернативой 6- цилиндровому двигателю без наддува. Данная тенденция касается и уменьшения количества цилиндров в двигателе. Удаление одного цилиндра в двигателе влечет за собой снижение трения, уменьшение размеров картера, головки цилиндров, уменьшение количества крышек подшипников, и т. д. Как результат – уменьшается общая масса двигателя. В общем случае повышение давления при воспламенении посредством наддува приводит к увеличению нагрузки на картер двигателя. Для компенсации повышенной нагрузки необходимо увеличить толщину стенок. Однако увеличение толщины стенок приводит к увеличению массы и расхода топлива. Большим спросом пользуются материалы повышенной прочности, так как их применение не приводит к потере преимуществ наддува. Таким образом, уменьшение размеров двигателя касается уже не только плотности материала, но и его прочности. Это является мощным стимулирующим фактором для развития литейного производства и его поставщиков. В этом – также заслуга компании ASK Chemicals. Мы работаем над повышением прочности за счет улучшения рассеивания тепла внутри формовочного материала. Помимо
химического состава материала, на прочность детали влияют и термофизические свойства формовочного материала.


Новые подходы к разработке облегченных конструкций

  • Комбинированный картер в виде сложной конструкции из литейного чугуна и алюминиевого сплава (Gießerei Halberg Guss в сотрудничестве с VAW mandl & berger)
  • Комбинированный картер из алюминиевого и магниевого сплавов (BMW AG, Gießerei Landshut)
  • Литейный чугун низкой плотности – < 6,8 г/см3 (Gießerei Halberg Guss)

 

Комплексные решения для литья блока цилиндров двигателя

Требуемую структуру поверхности блока цилиндров, резьб, тончайших маслопроводов и зон с очень малыми допустимыми отклонениями геометрических размеров в литье невозможно обеспечить за счет одной технологической операции. Для этого используется механическая обработка. Тем не менее, получение отливок по форме близких к окончательной является одним из важнейших требований к литейному производству и позволяет снизить расходы на обработку до минимума. Основу составляют стандартизированные допуски при литье, которые также зависят и от метода литья.

  • Гибкость размеров: Все размеры картеров (от малых картеров 3-цилиндровых двигателей для легковых автомобилей до самых больших картеров грузовых автомобилей) можно обеспечить посредством литья в песчаную форму.
  • Гибкость формы: Степень свободы проектирования полостей в картере намного выше по сравнению с методом литья под давлением.
  • Гибкость времени: Внедрение изменений геометрических размеров и прототипов может проходить намного быстрее и с меньшими затратами по сравнению с методом литья под давлением.


Если рассматривать процесс изготовления отливки в целом, первым этапом является первичная формовка. Различают литье в многократную металлическую форму и в разовую литейную форму. Для изготовления картеров широко применяется литье в разовые песчаные формы. Данный метод сочетает высокую гибкость с превосходной экономической эффективностью.
При литье в песчаную форму огромное значение имеет базовый формовочный материал и связующее. Номенклатура также была адаптирована с учетом важности вышеуказанных материалов. При литье в стержневой пакет геометрическая форма полностью зависит от песчаных стержней. Покрытие поверхности стержня выбирается в зависимости от вязкости расплава, давления расплава, скорости заполнения и диапазона температур литья. Покрытия, которые представляют собой дисперсию из огнеупорных материалов и воды, используются для расплавленного литейного чугуна, тогда как для расплавленного алюминия используются порошковые покрытия стержней.
При литье в песчаные формы по крайней мере один главный контур выполняется из песка с бентонитовым связующим. Однако это может касаться и полостей с вырезами для вспомогательного и дополнительного оборудования, например, корпус водяного насоса, так как в форму с песчано-бентонитовой смесью помещаются дополнительные стержни. В чугунном литье применяются оба метода.


Литье в стержневой пакет является основным способом изготовления картеров двигателей из алюминиевых сплавов. Повышенное содержание водорода в расплаве алюминия приводит к появлению дефектов литья. При охлаждении расплава литейная форма нагревается. При нагревании находящегося в литейной форме связующего выделяется газ, который проникает в пористую структуру материала внутри литейной формы и скапливается на границе между литейной формой и расплавом. Если в состав газа входит водород, он может проникнуть через границу внутрь литейной формы. Так как расплавленный алюминий чувствителен к водороду, связующее не должно выделять содержащие водород газы. Это является одним из требований к связующему. Поскольку при использовании литейных форм с бентонитовым связующим выделяется водяной пар, в качестве меры предосторожности для расплавленного алюминия применяется литье в стержневой пакет.
Помимо технических требований, таких как недостаточная прочность литейной формы и сопротивление абразивному износу, все чаще на первый план выходят требования по охране окружающей среды. Выбросы газов должны быть более экологически безопасными с точки зрения их состава, количества и запаха. Компания ASK Chemicals выделила ключевые этапы разработки связующих с высокой реакционной способностью и неорганических связующих.
Как видно из примеров, первые приблизительные параметры процесса литья вытекают из приведенных выше характеристик, а именно: конструкция, рабочий объем двигателя, количество цилиндров, количество блоков цилиндров, угол блоков цилиндров, «открытая плита» или «закрытая плита». Для V-образных двигателей с блоком цилиндров, расположенным под углом 90°, всегда применяется литье в стержневой пакет. Проблема вырезов, которая возникла бы при использовании другого способа литья, решается посредством «центрального стержня» в стержневом пакете, являющегося зазором между блоками цилиндров. 6-цилиндровый V-образный двигатель с очень острым углом между блоками цилиндров, напротив, может быть изготовлен посредством чугунного литья в форму с горизонтальной полостью без использования стержневого пакета, так как данный способ литья не предполагает наличие полостей между блоками цилиндров. Соотношение между рабочим объемом двигателя и размером литейной формы является третьим фактором. Для изготовления стержней для картера V-образного двигателя грузового автомобиля с рабочим объемом 12 л необходимы формы и инструмент соответствующего размера. В этой же форме можно одновременно изготовить четыре картера для двигателя
легкового автомобиля объемом 1,4 л.
Приблизительные параметры процесса литья включают и положение отливки. Если блоки цилиндров расположены в основном параллельно горизонтальной перегородке в форме, положение отливки принимается как горизонтальное. Если блоки цилиндров расположены под углом 90° к горизонтальной перегородке в форме, положение отливки принимается как горизонтальное. Литье вертикально расположенной отливки возможно только с использованием стержневого пакета.


Требования к материалу


На картер приходится локальная комплексная нагрузка, которую он должен надежно выдерживать на протяжении тысяч километров и многих лет службы. Комплексная нагрузка возникает под влиянием ряда нагрузок, которые действуют на деталь: газовые силы в ходе цикла внутреннего сгорания, реакционные силы в ходе энергетического цикла, а также нагрузки в местах изгибов и резьбовых соединений. Кроме того, существуют внутренние силы, возникающие под влиянием теплового расширения, внутренних напряжений, собственного веса детали, веса элементов с резьбовыми соединениями, таких как коленчатый вал и головка цилиндра, а также внутренние силы, которые возникают под влиянием теплового расширения дополнительных деталей и передаются через резьбовые соединения.
Наибольшее тепловое напряжение возникает, как правило, в зоне ребра крышки. Тот факт, что деталь служит для передачи воды и смазки, обусловливает необходимость обеспечения герметичности, чистоты и проходимости жидкостных трубопроводов внутри картера. Ввиду необходимости управления поршнем блок цилиндров следует рассматривать как часть трибологической системы. Данная система включает блок цилиндров, смазку, поршневое кольцо. Поэтому пленка на поверхности блока цилиндров должна обладать требуемыми трибологическими свойствами. Основные цели – низкие потери от трения, износ и расход смазки. Требования к материалам определяются под влиянием условий нагружения, технологических операций изготовителя автомобилей и экологических аспектов:

  • Фактические выбросы при производстве материала, эквивалентные выбросам CO2 – низкие
  • Обрабатываемость – высокая
  • Усталостная прочность под влиянием напряжений при изгибе с перегибом – высокая
  • Усталостная прочность под влиянием знакопеременного напряжения при рабочей температуре – высокая
  • Плотность – низкая
  • Герметичность – высокая
  • Прочность при сжатии – высокая
  • Гашение собственных колебаний – высокое
  • Модуль упругости – высокий
  • Допустимое давление на поверхность – высокое
  • Суммарная стоимость процесса производства – низкая
  • Коррозионная стойкость – высокая
  • Сопротивление ползучести – высокое
  • Предрасположенность к образованию усадочных раковин и включений – низкая
  • Пригодность к переработке для вторичного использования – высокая
  • Коэффициент теплового расширения – максимально близок к коэффициенту теплового расширения материала коленчатого валаible
  • Износостойкость – высокая
  • Теплопроводность – высокая

Материала, который бы удовлетворял вышеуказанные требования на 100 %, не существует. Таким образом, алюминиевые сплавы и чугунные сплавы конкурируют между собой, и эта конкуренция усиливается под влиянием новых подходов к разработке облегченных конструкций.


Типичные дефекты литья и соответствующие превентивные меры

Ниже приведено несколько ярких примеров:
Проблемы в зоне уступа цилиндра могут возникнуть при проектировании картера с меньшими зазорами между цилиндрами. Нежелательные полости обнаруживаются после обработки головки цилиндра. В случае литья в форму с горизонтальной плоскостью это происходит преимущественно на уровне замка стержня кожуха водяного охлаждения. В сочетании с неблагоприятным течением расплава, замок стержня, вероятно, является благоприятным фактором для образования и препятствием для выхода пузырьков газа, которые выделяются из стержня или формируются при попадании воздуха во время заполнения литейной формы. Решением данной проблемы может быть предварительная проработка положения и типа замков стержня уже на стадии разработки продукции. Вопрос заключается в том, можно ли переместить замок стержня глубже внутрь блока цилиндров, таким образом, чтобы зона возможного образования дефектов находилась ниже критически важной зоны хода поршня. Еще один вопрос состоит в следующем: возможно ли задать литье в стержневой пакет при вертикальном расположении отливаемой детали уже на стадии ее разработки. При таком положении отливаемой детали зажимы стержней в кожухе водяного охлаждения не являются необходимыми. Существует еще одно преимущество литья в стержневой пакет: благодаря автоматической маркировке стержня, которая, в свою очередь, передается отливаемой детали, результаты данного метода литья можно легко отследить. Непрерывный контроль технологических процессов и анализ причин дефектов литья может быть более масштабным и глубоким на основании параметров производства стержней. Однако необходимо проверить,существуют ли ограничения для неконтролируемой фильтрации в зоне расплавленного чугуна при литье в стержневой пакет.

Типичные дефекты литья каналов:

  • Канал является недостаточно проницаемым
  • Остаточное содержание загрязнений является слишком высоким
  • Канал для подачи смазки и кожух водяного охлаждения недостаточно герметичны

Нежелательное отклонение формы каналов для подачи смазки в виде просечек может привести как к ограниченной проницаемости (что уже является недопустимым), так и к полной их блокировке. Сложные переплетения каналов для подачи масла – одна из тенденций уменьшения размеров. Таким образом, становится все сложнее контролировать и переделывать каналы в помещении для чистки литых деталей. Целесообразные
корректирующие мероприятия могут включать изменение параметров зерна в стержне, присадки и адаптированные покрытия.
Процесс литья не заканчивается после кристаллизации. Не следует недооценивать процесс извлечения стержней. Например, для удаления песка в случае очень тонких и глубоких кожухов водяного охлаждения могут потребоваться дополнительные отверстия. В ходе следующей технологической операции после механической обработки данные отверстия прикрываются металлическими листами. Чтобы учесть в конструкции возможность извлечения стержня, при разработке концепции следует обратить внимание и на размер отверстий в крышке. Возможность извлечения стержня является важным направлением совершенствования в системе связующего. При этом следует учитывать и количество остающейся грязи. Под грязью подразумевается материал, который попадает в полости металлического корпуса после окончания первичной формовки и остается там после завершения процесса. При работе двигателя свободные частицы остающейся грязи могут попасть в канал подачи масла, а в худшем случае крупные частицы могут привести к уменьшению срока службы подшипника. Поэтому в качестве меры предосторожности для картера легкового автомобиля с двигателем объемом 2,0 л требуется 500 мг. Компания ASK Chemicals, в сотрудничестве с соответствующим литейным заводом, работает над покрытиями, которые позволяют уменьшить образование соединений.

Для поиска корректирующих мер очень важно проанализировать причины возникновения проблемы. С этой целью компании ASK Chemicals применяет специальное программное средство моделирования для внутреннего пользования. Моделирование процесса кристаллизации помогает проанализировать причины образования усадочных раковин. А как насчет дефектов литья, причиной появления которых являются пузырьки газа? Компания ASK Chemicals проводит интенсивные исследования в данном направлении. Ключевым моментом здесь является внедрение отвечающего требованиям программного средства моделирования, которое помогло бы найти ответы на вопросы, касающиеся количества газа, который образуется в определенном месте, а также давления газа на границе. Следует также отметить движение в направлении разработки систем связующих, обладающих высокой реакционной способностью. Благодаря высокой реакционной способности требуется меньшее количество связующего. Более низкое содержание связующего означает более низкое давление газа на границе между литейной формой и расплавом. Таким образом, благодаря инструментам, которые помогают принимать решения, и благоприятным условиям, которые обеспечивают современные системы связующих, случайность сменяется закономерностью . Если данные факторы задействовать еще на этапе разработки,
можно недопустить появление дефектов на более поздних этапах. Чем позднее удается устранить дефект, тем значительнее нанесенный экономический ущерб.

Требуемую структуру поверхности блока цилиндров, резьб, тончайших маслопроводов и зон с очень малыми допустимыми отклонениями геометрических размеров в литье невозможно обеспечить за счет одной технологической операции. Для этого используется механическая обработка. Тем не менее, получение отливок, по форме близких к окончательной, является одним из важнейших требований к литейному производству и позволяет снизить расходы на обработку до минимума. Основой являются стандартизированные допуски при литье, которые также зависят и от метода литья.

Система управления качеством на литейном производстве предоставляет данные по дефектам литья картера двигателя – обнаруженным как внутри компании, так и вне ее, как явным, так и скрытым. В целом дефектами считаются нежелательные полости и отклонения формы, которые не позволяют детали надежно функционировать. При литье в песчаную форму основное внимание уделяется функциональным группам блока цилиндров, каналов для подачи смазки и кожуха водяного охлаждения. Экономия материалов за счет уменьшения размеров и места, необходимого для установки двигателя, обусловливает все более жесткие требования к литейным производствам. При анализе причин появления нежелательных полостей, как правило, используется два объяснения. Здесь данные объяснения приведены в предельно упрощенном виде. Во-первых, под влиянием усадки образуется нежелательная полость (усадочная раковина). Это происходит вследствие недостатка объема при переходе металла из жидкого в твердое агрегатное состояние. Во-вторых, нежелательной полостью является пузырек газа, уловленный в процессе кристаллизации и окруженный металлом. При охлаждении расплава литейная форма нагревается. При нагревании находящегося в литейной форме связующего выделяется газ, который проникает в пористую структуру материала внутри литейной формы и скапливается на границе между литейной формой и расплавом. Если давление газов достаточно велико, они могут проникнуть в расплав и превратиться в пузырек газа В действительности между усадочными раковинами и пузырьками газа существует множество переходных форм.