吳龍 高浩 劉建軍

（1-三明學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院福建三明3650042-三明機(jī)械CAD工程研究中心3-福建三明高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)博士后工作站4-福建匯華集團(tuán)東南汽車缸套有限公司）

“蘑菇頭”氣缸套生產(chǎn)工藝參數(shù)的試驗(yàn)研究*

吳龍1，2，3高浩4劉建軍1，2，3

（1-三明學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院福建三明3650042-三明機(jī)械CAD工程研究中心3-福建三明高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)博士后工作站4-福建匯華集團(tuán)東南汽車缸套有限公司）

開發(fā)了新型產(chǎn)品“蘑菇頭”氣缸套，在生產(chǎn)中采用均勻的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，得到了最佳的發(fā)泡工藝、模具轉(zhuǎn)速、模具溫度、澆注溫度等工藝參數(shù)。本研究為缸套的鑄造生產(chǎn)提供了指導(dǎo)和借鑒作用。

蘑菇頭氣缸套生產(chǎn)工藝參數(shù)試驗(yàn)研究

引言

我國(guó)整車產(chǎn)品的制造工藝及質(zhì)量已經(jīng)接近國(guó)際水平，但零部件生產(chǎn)卻滯后于整車的發(fā)展，因此國(guó)家發(fā)改委提出要重點(diǎn)發(fā)展汽車零部件[1～3]。氣缸套是鑲在發(fā)動(dòng)機(jī)上的核心零件，它與氣缸蓋活塞、活塞環(huán)構(gòu)成了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室，它的性能直接影響了發(fā)動(dòng)機(jī)的使用性能。

我們開發(fā)的“蘑菇頭”氣缸套可以把加工余量減少到1～1.5mm，并且鑄造廢品率控制在1%以內(nèi)。特別是可以把毛坯做到600mm長(zhǎng)，一只毛坯做10只缸套。該產(chǎn)品為合金鑄鐵，化學(xué)成分組成為：C：3.20%～ 3.3%；S：0.03%～0.05%；Mn：0.7%～1.1%；P：0.2%～0.3%；Cr：0.2%～0.3%；B：0.05%～0.06%Si：2.5%～2.7%。金相組織中基體組織為細(xì)片狀珠光體，不小于95%。游離鐵素體≤5%。石墨以A+B型為主，含量大于90%。該產(chǎn)品獲國(guó)家實(shí)用新型專利（CN201884139U），經(jīng)過教育部科技查新工作站NO.5的查新、閩教科評(píng)字2013[35]的評(píng)審意見，以及福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院的檢測(cè)報(bào)告：國(guó)內(nèi)無同類產(chǎn)品，“蘑菇頭“氣缸套及外表面，技術(shù)性能指標(biāo)能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的要求。該產(chǎn)品國(guó)內(nèi)缸套企業(yè)都沒有生產(chǎn)，只有一家日資企業(yè)——安慶帝伯格茨缸套有限公司生產(chǎn)同類產(chǎn)品。

1 “蘑菇頭”氣缸套外形及性能

“蘑菇頭”氣缸套及外表面如圖1所示，與同類產(chǎn)品比較如表1所示。

此種缸套主要依靠“蘑菇頭”增強(qiáng)缸套與鋁液的結(jié)合力，穩(wěn)定得到“蘑菇頭”，是本項(xiàng)目的關(guān)鍵?！澳⒐筋^”為鑄造表面，要求嚴(yán)格。當(dāng)前的鑄造毛坯很少“蘑菇頭”，且高度非常低，且在毛坯外表面很多氣孔，根本不能滿足此種缸套的要求。從技術(shù)難點(diǎn)、關(guān)鍵點(diǎn)分析，在工藝方面“蘑菇頭”一定是涂料層內(nèi)表面形成“蘑菇頭”，從而使缸套外壁形成“蘑菇頭”。我們采用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)發(fā)泡工藝、模具轉(zhuǎn)速、模具溫度、澆注溫度等工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1 “蘑菇頭”氣缸套橫截面圖

表1 與國(guó)外同類產(chǎn)品的性能比較表

2 發(fā)泡劑選擇

缸套外圓得到“蘑菇頭”，必須使涂料加入模具內(nèi)腔后，使涂料表面形成“蘑菇頭”，這就要求涂料必須在模具內(nèi)腔劇烈發(fā)泡，選擇了4種表面有活性劑：硬脂酸納（肥皂）、洗衣粉、月桂醇硫酸酯鈉鹽、調(diào)節(jié)劑A，加入量為干粉料的0.10%。通過觀察加入后的發(fā)泡程度、脫模性、“蘑菇頭”多少、金相、硬度，來選擇發(fā)泡劑。每種涂料跟蹤3只缸套。試驗(yàn)方案如下：

澆注機(jī)號(hào)：14號(hào)

出爐溫度：1538℃

涂料厚度：0.8～1.2mm

孕育量：0.8%

模具轉(zhuǎn)速：1540r·min-1

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 發(fā)泡劑類別對(duì)金相硬度和“蘑菇頭”的影響

結(jié)果表明：調(diào)節(jié)劑A為最佳選擇。

仍然采用前面的工藝，對(duì)發(fā)泡劑的加入量進(jìn)行了試驗(yàn)，如表3所示。

表3 發(fā)泡劑加入量與“蘑菇頭”數(shù)量關(guān)系表

結(jié)果表明：發(fā)泡劑加入比例在0.1%～0.15%比較適合，但要進(jìn)一步對(duì)發(fā)泡劑加入比例進(jìn)行細(xì)分。具體如表4所示。

表4 發(fā)泡劑加入量細(xì)化試驗(yàn)表

從表4可以看出，發(fā)泡劑加入比例在0.15%～0.17%為最佳選擇。

3 模具轉(zhuǎn)速的研究

當(dāng)涂料加入模具內(nèi)腔后，在離心力的作用下，氣泡必然有迅速破裂的趨勢(shì)，當(dāng)氣泡破裂的速度大于涂料凝結(jié)的速度時(shí)，就不會(huì)形成泡沫或者泡沫較小，缸套上“蘑菇頭”偏小或者偏少。因此，離心力的大小決定了泡沫的多少，即決定了“蘑菇頭”的大小。而離心力的大小是由模具轉(zhuǎn)速?zèng)Q定的。選擇了氣動(dòng)噴灑涂料時(shí)的轉(zhuǎn)速為500r·min-1、600r·min-1、700r·min-1、800 r·min-1、900r·min-1、1000r·min-1、1100r·min-1、1200 r·min-1、1300r·min-1，觀察發(fā)泡時(shí)間、脫模性、毛坯外圓“蘑菇頭”大小，同時(shí)也對(duì)金相硬度進(jìn)行了監(jiān)控，來選擇合適的模具轉(zhuǎn)速。結(jié)果如表5、圖2所示。

表5 模具轉(zhuǎn)速對(duì)“蘑菇頭”的影響表

圖2 同一模具溫度分布概況

結(jié)果表明：在700r·min-1以前發(fā)泡時(shí)間劇烈減少，700～1000r·min-1發(fā)泡時(shí)間減少趨勢(shì)放慢，在800r·min-1～900r·min-1蘑菇頭大小基本滿足產(chǎn)品要求，但必須對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行細(xì)分，尋找最合適的轉(zhuǎn)速。方案如表6所示。

表6 模具轉(zhuǎn)速細(xì)化試驗(yàn)表

結(jié)果表明：840～860 r·min-1為模具最佳轉(zhuǎn)速。

4 模具溫度的研究

涂料發(fā)泡，必須有一定的動(dòng)力，即要有一定的模具溫度。模具溫度太低，涂料發(fā)泡不充分，“蘑菇頭”太小，模具溫度太高，涂料掛不上去。模具溫度對(duì)金相組織的影響也非常大，模具溫度高，容易出現(xiàn)A型石墨，不易出現(xiàn)枝晶聚集等白口組織，反之，就容易出現(xiàn)過冷組織。為了穩(wěn)定得到蘑菇頭和保證金相組織，必須對(duì)模具溫度進(jìn)行研究。對(duì)一只缸套來說，不同部位模具溫度不一樣，造成“蘑菇頭”、金相組織分布不均勻，必須采取工藝去保證模溫均勻性。模具溫度對(duì)“蘑菇頭”大小和金相組織的影響如表7所示。

結(jié)果表明：最佳的模具溫度為350℃～450℃。

模具溫度是由模具厚度、來水時(shí)間、還原時(shí)間決定的，下面對(duì)模具厚度進(jìn)行研究。

4.1 模具厚度對(duì)模具溫度的影響

模具厚度決定模具的穩(wěn)定性，模具厚，蓄熱多，模具溫度上升慢，模具溫度變化小，模溫穩(wěn)定。但是模具若過厚，模溫低，缸套冷卻過快，金相硬度不合格。模具厚度采用24mm、32mm、40mm、48mm研究模溫均勻性和金相，如表8所示。

表7 模具溫度對(duì)蘑菇頭大小和金相的影響

表8 模具厚度對(duì)模溫影響關(guān)系表

結(jié)果表明：1）模具厚度為40mm的時(shí)候，各個(gè)缸套之間模具溫度最穩(wěn)定；2）40mm模具厚度，各個(gè)缸套之間金相組織最好；3）40mm模具厚度同一缸套不同部位模溫變化最?。?）同一缸套，模具溫度變化較大，必須進(jìn)一步研究。

4.2 來水時(shí)間、還原時(shí)間對(duì)模具溫度的影響

從鐵水澆注進(jìn)去到開始開水這一段，叫來水時(shí)間；從開始開水到停水叫擊水時(shí)間；從停水到停機(jī)叫還原時(shí)間。影響模具溫度的因素主要是擊水時(shí)間和還原時(shí)間，為了研究我們采取以下試驗(yàn)方案：來水時(shí)間固定：15s，擊水時(shí)間、還原時(shí)間對(duì)模溫的影響試驗(yàn)結(jié)果如表9所示（工藝參數(shù)采用澆注自動(dòng)控制系統(tǒng)控制）。

表9 擊水時(shí)間、還原時(shí)間模具厚度與模溫關(guān)系表

結(jié)果表明：來水時(shí)間15s，擊水時(shí)間25s，還原時(shí)間20s，模具溫度正好在400℃左右為最佳參數(shù)。

4.3 同一模具不同部位模具溫度一致性研究

從表8可以看出中部溫度最高，前端次之，后部最低，主要是在模具前端鐵水直接和擋塊接觸，前端鐵水降溫很快；在模具的后部，由于模具直接和澆注機(jī)法蘭盤接觸，大量的熱量通過法蘭盤傳向澆注機(jī)；在中間部位由于熱量比較集中，并且熱量不容易散出去，因此中間模具溫度最高，前端次之，后部最低如圖2所示。消除溫度的差異，必須通過調(diào)整擊水管消除差異。

擊水管的制作：在小端60mm范圍不開擊水眼，在大端40mm范圍不開水眼。改進(jìn)后進(jìn)行了模具溫度的測(cè)量，測(cè)量位置如圖2所示。數(shù)值如表10所示。

表10 加擊水管后不同部位模具溫度表℃

結(jié)果表明：擊水管改進(jìn)后，模溫較穩(wěn)定，滿足生產(chǎn)要求。

5 澆注溫度的研究

缸套“蘑菇頭”的形成是依靠涂料表面蘑菇頭形成的，鐵水必須有很好的流動(dòng)性才能把涂料的蘑菇頭填滿。保證合適的澆注溫度非常關(guān)鍵，但是鐵水溫度太高又會(huì)破壞涂料，鐵水澆注溫度研究如表11所示。

表11 澆注溫度對(duì)蘑菇頭和金相的影響

結(jié)果表明：澆注溫度在1300～1450℃之間，為最佳澆注溫度。

6 結(jié)論

通過生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)對(duì)發(fā)泡工藝、模具轉(zhuǎn)速、模具溫度、澆注溫度等工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)論如下：

1）發(fā)泡劑為調(diào)節(jié)劑A，加入比例在0.15%～0.17%為最佳選擇；

2）模具轉(zhuǎn)速控制在840～860r/min；

3）采用改進(jìn)的擊水管，模具厚度為40mm，模具溫度控制在350℃～450℃為最優(yōu)；

4）澆注溫度在1300～1450℃之間，為最佳澆注溫度；

5）來水時(shí)間15s，擊水時(shí)間25s，還原時(shí)間20s，模具溫度正好在400℃左右為最佳參數(shù)。

本公司年產(chǎn)本缸套150萬只，減少生產(chǎn)成本157.2萬元，機(jī)加工成本375萬元，綜合減少成本532.2萬元。該產(chǎn)品小批量向浙江吉利集團(tuán)供貨，經(jīng)過浙江吉利集團(tuán)臺(tái)架試驗(yàn)，本產(chǎn)品從外觀、金相組織、耐磨性和活塞環(huán)配副性都能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的要求，與全鋁發(fā)動(dòng)機(jī)配合后，缸體重量減少30%，提高10%的中低速扭矩，提高8%的高速端功率，提高5%的燃油經(jīng)濟(jì)性，尾氣排放最大減少25%。

1王希臣，孫軍，王虎，等.活塞（環(huán)）-缸套間潤(rùn)滑油流動(dòng)和潤(rùn)滑研究的現(xiàn)狀、討論和展望[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2013，42（2）：82～88

2杜冰，梁淑如，程燕鋒，等.擠壓膨化加工過程參數(shù)及其影響[J].食品與機(jī)械，2008，24（5）：133～135

3胡秀娟，劉亞偉，劉潔，等.發(fā)芽糙米的制備技術(shù)及制品研究進(jìn)展[J].糧食與飼料工業(yè)，2011，（11）：1～4

4代永剛，馬毓霞，南喜平，等.生物柴油的現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].糧油食品科技，2006，14（1）：17～19

5吳黎明，潘衛(wèi)國(guó)，郭瑞堂，等.富氧燃燒技術(shù)的研究進(jìn)展與分析[J].鍋爐技術(shù)，2011，42（1）：36～38，68

6鄭曉紅，趙翔，曹欣玉，等.鍋爐高溫承壓部件剩余壽命的評(píng)估及應(yīng)用[J].鍋爐技術(shù)，2003，34（4）：25～29

7周華祥，寧朝陽.低排放高熱效率長(zhǎng)壽命氣缸套的改進(jìn)[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2008，37（3）：54～58

Experimental Study on Processing Parameters of“Mushroom”Cylinder Liner

Wu Long1，2，3，Gao Hao4，Liu Jianjun1，2，3
1-School of Mechanical&Electronic Eng.,Sanming Univ.(Sanming，F(xiàn)ujian，365004，China) 2-Sanming Engineering Research Center of Mechanical CAD 3-Post-doctoral Research Station of Fujian Sanming High-tech Industrial Development Zone 4-Southeast Auto Cylinder Liner Co.,Fujian Huihua Group

We have developed new products"mushroom"cylinder liner.Uniform experimental design method is used in the production，the best foaming process，rotating speed of mold，mold temperature，pouring temperature and other process parameters are obtained.In this paper，our study provides a guidance and reference for the automotive cylinder casting production.

Mushroom，Cylinder liner，Processing parameters，Experimental，Study

TG249.4

A

2095-8234（2014）04-0018-06

2014-03-24）

中國(guó)博士后基金（2013M541851）；福建省科技廳高校產(chǎn)學(xué)合作重大項(xiàng)目（2012H6018）；福建省高等學(xué)校新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃(JA13290)；福建省教育廳中青年教師教育科研項(xiàng)目（A類JA13293）；福建省教育廳中青年教師教育科研項(xiàng)目（B類JB13183）；三明學(xué)院高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目（J1309/Q）。*

吳龍（1973-），男，副教授，博士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械動(dòng)力學(xué)與控制。