氣缸蓋模具技術(shù)開發(fā)及設(shè)計(jì)初探

    定邦模具廠創(chuàng)建于上世紀(jì)90年代初期，專業(yè)從事汽車發(fā)動(dòng)機(jī)鋁合金缸蓋金屬型重力鑄造模具設(shè)計(jì)與制造，迄今已生產(chǎn)了20多種型號(hào)，60多套氣缸蓋模具。21世紀(jì)初，為適應(yīng)中國(guó)汽車工業(yè)大發(fā)展的潮涌，聘請(qǐng)國(guó)內(nèi)金屬型重力鑄造的工藝、模具方面的10多位專家組建了定邦汽車缸蓋模具研究所，致力于汽車缸蓋（鋁合金）的鑄造工藝和模具的開發(fā)和研究。  

    汽缸蓋是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中一個(gè)十分重要的部件，其上部置有凸輪軸，下部與氣缸體、活塞組成燃燒室，兩邊是進(jìn)氣道和排氣道，與油氣進(jìn)入的進(jìn)氣歧管件和廢氣排出的排氣管件相接，內(nèi)有貫穿的冷卻水道和潤(rùn)滑油路。因此，在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和工作性能的影響舉足輕重也就很清楚了。氣缸蓋的工作情況是，當(dāng)燃?xì)庠谌紵�室�?nèi)爆燃時(shí)，氣體溫度瞬間高達(dá)1100℃以上，這種高溫?zé)釠_擊反復(fù)作用產(chǎn)生高達(dá)7MPa壓力直接于汽缸蓋與汽缸體的連接處。因此，氣缸蓋在發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)工作過程中是處于高溫狀態(tài)下，承受巨大的熱沖擊作用，工作條件甚為惡劣。從氣缸蓋的鑄件結(jié)構(gòu)上來(lái)看，內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，形狀多變化，壁厚不勻，其中氣缸蓋冷卻水道內(nèi)腔彎彎曲曲，壁厚一般在4-5毫米，最薄處只有2.5毫米。而且隨著汽車發(fā)動(dòng)機(jī)向高效率、低油耗、少污染的方向發(fā)展，氣缸蓋的結(jié)構(gòu)會(huì)變得愈來(lái)愈復(fù)雜。  

    由于缸蓋的特定工作條件要求，對(duì)缸蓋的性能要求非常高。例如氣缸蓋要承受起0.3-0.4MPa的氣密試驗(yàn)無(wú)滲漏；在幾何形狀上進(jìn)排氣道要求很嚴(yán)，其直接影響油氣進(jìn)入的方向，混合情況，直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)功率，起動(dòng)速度，一般都進(jìn)行流道試驗(yàn)檢查；燃燒室容積是發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要參數(shù)（排氣量的一個(gè)組成），對(duì)電噴發(fā)動(dòng)機(jī)而言，其燃燒室容積誤差，還直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)減少“爆缸”，影響發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性，一般要求容積誤差在2.5%以內(nèi)，也就是說(shuō)只有零點(diǎn)幾毫升誤差；缸蓋內(nèi)部的冷卻水道形狀和容積大小對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命都會(huì)直接有影響。因此，我們說(shuō)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的鑄造生產(chǎn)技術(shù)要求高、難度大，其模具的設(shè)計(jì)、制造是其中很重要和很關(guān)鍵的一個(gè)保證。  

    汽車工業(yè)率先發(fā)展鋁鑄造工業(yè)以來(lái)，曾先后出現(xiàn)了多種鑄造工藝的應(yīng)用，如金屬型重力鑄造、低壓鑄造、高壓鑄造、砂型鑄造以及消失模鑄造等。伴隨著數(shù)十年歷程的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和技術(shù)的不斷改造，發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件鋁缸蓋的生產(chǎn)工藝已基本走向統(tǒng)一，那就是起著主導(dǎo)作用的金屬型重力鑄造工藝。目前，在全球幾仟萬(wàn)件鋁缸蓋總產(chǎn)量中，近85%的鑄造生產(chǎn)都是采用金屬型重力鑄造工藝的。  

    金屬型重力鑄造工藝的優(yōu)勢(shì)：  

    1．金屬型重力鑄造工藝在全球應(yīng)用最為廣泛，是最佳的選擇  

    2．在同等生產(chǎn)規(guī)模下，比其它的鑄造工藝（如低壓鑄造）比較，體現(xiàn)了整體投資的經(jīng)濟(jì)性，以最少的投資提供最大的生產(chǎn)能力。  

    3．金屬型重力鑄造模具的工藝可靠，質(zhì)量穩(wěn)定，定型后模具壽命長(zhǎng)，維修簡(jiǎn)單，占地面積小。  

    4．金屬型重力鑄造工藝生產(chǎn)鋁缸蓋、進(jìn)氣歧管成品率明顯優(yōu)于其它鑄造工藝。模具成本低，協(xié)調(diào)澆注系統(tǒng)靈活性好。  

    在缸蓋模具設(shè)計(jì)制造中，因?yàn)槊總�(gè)型號(hào)的原型設(shè)計(jì)就有差別，日本零件按低壓鑄造設(shè)計(jì)的較多，采用重力鑄造時(shí)，不可避免要對(duì)鑄件的結(jié)構(gòu)或壁厚作些同步改造。西歐美國(guó)一般設(shè)計(jì)零件時(shí)就采用重力鑄造。  

    現(xiàn)市場(chǎng)缸蓋生產(chǎn)采用二種形式的澆鑄方式，與廠家的生產(chǎn)習(xí)慣和配套設(shè)施切切相關(guān)。一是水平澆注方式，模具水平放置，鋁水直接倒在澆道中；二是可傾式澆注方式，模具跟著澆臺(tái)從0°-90°傾轉(zhuǎn)，料斗跟著模具邊傾轉(zhuǎn)邊進(jìn)料（現(xiàn)在已是我廠澆鑄缸蓋、進(jìn)氣歧管的主流方向）。可傾式成品率比水平可增加5-6個(gè)百分點(diǎn)。  

    根據(jù)我廠多年來(lái)的制作經(jīng)驗(yàn)，已探索出一套比較可行的鑄造工藝：  

    a．掌握順序冷卻和均衡冷卻的原理，根據(jù)不同缸蓋型號(hào)要求作出相應(yīng)的對(duì)策。  

    b．澆冒口系統(tǒng)熔入模具設(shè)計(jì)中，是模具的組成部分，保證澆注時(shí)鋁液不產(chǎn)生紊流，不產(chǎn)生渦流，開放式澆道是關(guān)鍵（進(jìn)料、排氣、補(bǔ)縮分明）。  

    c．采用了CAD/CAM在鑄造模具的設(shè)計(jì)、制造上應(yīng)用。使用Ug和Proe造型軟件，加工中心數(shù)控加工，保證了模具的精度和重復(fù)性。  

    d．泥芯定位準(zhǔn)確和泥芯排氣通道順暢，有些水道芯結(jié)構(gòu)排氣困難時(shí)芯頭處可考慮引氣。  

    e．熱芯盒匹配相應(yīng)的射芯機(jī)，難度大的水道芯一般必須在氣混砂的情況下才能做得好，射口截面一般與芯子的平面平方有一定的比例。  

    f．每壹個(gè)缸蓋，一般澆出后和熱處理后都要變形的，為保證每個(gè)燃燒室容積相等，所以模具上燃燒室的高度安排是不同的。  

    g．我廠設(shè)計(jì)的澆冒口系統(tǒng)材料與工件，比例一般控制在0.5～0.8：1（冒口+澆口重量）：（鑄件質(zhì)量）。  

    經(jīng)過我廠實(shí)踐，得出結(jié)論：氣缸蓋采用可傾式重力鑄造工藝成品率最高。一般熔煉工藝匹配好，成品率可達(dá)90%以上。