维普资讯 http://www.cqvip.com 柴油机设计与制造 Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ ｏｆ Ｄｉｅｓｅｌ Ｅｎｇｉｎｅ ２００２年第３期（总第１００期） 关于柴油机缸盖铸造工艺一浇注系统设计之探索 施广中 （上海柴油机股份有限公司，２００４３２） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｍａｉｎｌｙ ｄｅｓｍ‘ｉｂｅｓ ｔｈｅ ｓｉｍｐｌｅｓｔ ｐｅｒｈａｐｓ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｓｕｉｔａｂｌｅ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｇａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ ａｌｓｏ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ Ｉ、ｅｌａｔｉｏｎｓ ｏｔ ｇａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｐｏｕｒｉｎｇ ｔｉｍｅ ａｎｄ ｅｘｈａｕｓｔ ｓｙｓｔｅｍ． Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒ ｒａｉｓｅｓ ｓｏｍｅ ｐｅｒｓｏｎａｌ ｖｉｅｗｓ． 摘要 本文主要论述了在浇注系统设计中，最简单的解决方法往往也是最好的，探讨了浇注系 统与浇注时间的关系，提出了一些个人的见解 关键词： 气缸盖Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ： 浇注系统 浇注时间 排气系统 Ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｈｅａｄ，Ｇａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ，Ｐｏｕｒｉｎｇ ｔｉｍｅ，Ｅｘｈａｕｓｔ ｓｙｓｔｅｍ １前言 （２）合理地确定内浇道开设位置与排气系统的 关系； 气缸盖是柴油机中非常重要的部件之一，其工 作环境十分恶劣，不仅要长期承受高温考验，还要｝∈ （３）确定浇注时间和计算浇注系统中的最小断 面积； 期承受有规律的瞬时爆发高压，再加之气缸盖进排 道形状对柴油机性能有着至关重要影响。这些都给 铸造工艺设计增加了难度。可以讲气缸盖铸造工艺 设计的真谛掌握了，灰铸铁中小件铸造工艺设计就 没什么难度了。 气缸盖铸造工艺设计包括的内容很多，在这里 ２．１选择浇注系统的类型和结构 ２．１．１设计浇注系统各组元结构时需特别注意以下 几点： ａ．直浇道与横浇道的连接。铁水由直浇道转入 横浇道时，因流动方向急剧改变，若不使之缓冲，加 以引导，则会引起严重的紊流，冲击铸型，造成冲砂 和卷人气体。为了减轻这一冲击作用，通常应使直 浇道与横浇道呈圆弧连接，直浇道底部设浇口窝（如 图１），浇口窝直径一般为横浇道宽度的两倍左右。 仅对铸造工艺设计的关键部分——浇注系统设计， 综合十多年来对各类气缸盖工艺设计、试验、实践及 改进工作的一些体会进行总结。 ２气缸盖浇注系统设计 浇注系统是铸型中液态金属流人型腔的通道， 一般由浇口杯（外浇口）、直浇道、横浇道及内浇道四 部分（组元）组成。另外，排气系统与浇注系统是紧 密联系在一起的，故亦可看成浇注系统的一个组成 部分。正确设计浇注系统对保证铸件质量，提高生 产效率和降低成本是非常重要的。合理的浇注系统 应能平稳地导入液态金属；挡渣及排除型腔中的空 ＼ 气和其它气体，调节铸型 铸件各部分的温度分布 以控制铸件的凝固顺序，保证液态金属在最合宜的 时间范围内充满铸型，不使金属过度氧化，有足够高 ｆ 嘴 的压力头，并保证金属液面在型腔内有必要的上升 速度等。浇注系统的设计内容与步骤大体如下： （１）选择浇注系统的类型和结构； ・图１ ３２・ 维普资讯 http://www.cqvip.com 处于较高压力之下，为防止杂质被吸入内浇道，横浇 道末端要延长到内浇道之外一段距离，而且在横浇 道的末端设计一个集渣包是非常必要的（如图２）。 集渣包的高度为横浇道的二倍，直径为横浇道宽度 的１．５倍。另外，金属液由直浇道进入横浇道紊流程 度增加，再加之Ⅳ＋ｈ作用，第一只内浇道不宜与直 浇道太近 以上几点做好了，在气缸盖浇注系统设计中尽 量不要再考虑使用过滤网。使用过滤网将会增加铁 水在横浇道中的紊流程度，不利于弥散度高的熔渣 杂质在横浇道水平流动中上浮而撇除。 图２ １９８９年，上柴公司为了扩大ｌ ３５柴油机气缸盖 生产能力，上了一条气缸盖简易生产线。当初废品 率居高不下，主要缺陷就是砂眼和气孔，其中砂眼废 ｂ．铁水从直浇道进入横浇道的初期，常常有 较多熔渣杂质。这些熔渣随铁水以较大速度沿长度 方向向前流动，且流经的距离较长，熔渣较容易向上 浮起。熔渣随铁水到达横浇道未端冲击该处型壁 后，形成金属浪，会再返回移动。 品达到了生产量的ｌ５％。为了让砂眼缺陷降下来． 我们在浇口杯与直浇道顶面之间放置了金属过滤 网，效果并不理想。后来，我们根椐水力学原理，在 横浇道上作了以上两种改进，并取消过滤网，砂眼废 品迅速下降，后来基本维持在４％一５％。总之，在浇 注系统设计中，最简单的解决方法往往也是最好的 当横浇道中的金属液流到内浇道附近时，液流 还有一个向着内浇道方向的流速，这就使横浇道中 的液流在靠近内浇道运动时，又受到了向内浇道流 去的一种吸力的影响。这个受到吸力影响的区域叫 方案。在浇注系统中为防止夹渣缺陷而采取的一些 挡渣装置（如过滤网、阻流段等），没有一个能充分达 到目的的，相反这些装置可能会引起额外紊流反而 容易造成缺陷。 ２．１．２选择浇注系统的类型 做吸动区。这时杂质在横浇道中的运动受到三个流 速的作用：在横浇辽ｌＩＩ流速 水 ，实际上浮速度 和流入内浇道速度Ｖ内的作用。在未充满的横浇道 中，Ｖ ＜Ｖ水平，Ｖ内决定于横浇道中液面高度ｈ，而 上柴公司各类气缸盖所选的浇注系统类型见表 １ 气缸盖是复杂重要零件，为了考虑到铸型内有合 Ｖ水 决定于压力头Ⅳ。当横浇道一旦充满，Ｖ内就决 定于整个浇注系统的高Ⅳ＋ｈ。所以，浇注之初，进 入横浇道的金属液，因靠近横浇道末端的内浇道又 理的温度梯度，充型能力等因素，其浇注系统就相对 更复杂。一是路径长，二是弯曲可能性多，所以金属 液在浇注系统中的流程损失就较大。计算浇注系统 表１气缸盖浇注系统类型 气缸盖名称 １ ３５气缸盖 按内浇道 中注 位置分类 浇注温度 ℃ ∑Ｆ ：∑Ｆ蟥：∑Ｆ直（∑Ｆ直／ｕ） １ ３５０ １：２．１ ６：（）、６７（１．３４） 简易线ｌ３５气缸盖 ｌ ８０气缸盖 申注 巾注 ｌ ３５０ ｌ ３５０ １：２．２５：０．５９ｆ １．１８） １：２．５：１．０６（２．１ ２ Ｊ Ｉ）６ｌ１４Ａ气缸盖 Ｄ６１ ｌ４Ｂ气缸盖 Ｃ ｌ ２ｌ气缸盖 ４ｌ１４气缸盖 底注 底注 底注 底注 ｌ ３９０ １３９０ ｌ３９０ ｌ ３９０ １：０．５５：０．３９（０．６５） ｌ：１．２５：０９ｆ １．５） １：１ １４：０．８３（１．３８） ｌ：１．５４＂０．７９（１ ３２） ・３３・ 维普资讯 http://www.cqvip.com 各组元面积时，就不得不考虑流程损失这一因素。 影响流程损失的因素很多，有合金成份、铸型蓄热系 数、铸型排气能力、浇注位置、浇注温度、充型压头 等，以上各类气缸盖各种因素中差异较大的就是浇 注温度和浇注位置。不同的浇注温度和浇注位置其 流程损失是不一样：根椐多年实践经验和各种教科 书、手册提供的数据，上柴公司浇注温度为】３５０￣Ｃ， 中注式气缸盖浇注系统流程损失系数（ １）大致为 ０．５；底注式流程损失系数（Ｉ．ｚ２）为０．６。 这样不难看出，上柴公司气缸盖浇注系统理论 上具有封闭式特点。其中中注式横浇道截面积较 大，有良好的集渣功能；底注式充型平稳，对型腔冲 刷力小，型腔中的气体和杂质容易从冒口中排出。 气缸盖浇注系统各组元尺寸比例理论上应为封闭， 这对充型排渣都有好处；内浇道位置采用中注式或 底注式较好。上柴公司气缸盖按以上原则确定浇注 系统类型，基本上是成功的，同类气缸盖废品率在同 行中处于较好水平。 ２．２合理地确定内浇道开设位置与排气系统问的关 系 内浇道开设位置对气缸盖铸件质量影响很大。 内浇道的开设应有利于防止砂型和砂芯局部过热， 避免冲砂和增加发气量；同时还应有利于充型平稳、 排气和除渣。要做到充型平稳、排气和除渣，实属不 易，却至关重要，是关键之关键；这既要内浇道开设 合理，同时引出气系统也要与之相匹配。 出气孔（如图３）设置原则： （１）型腔圆型直接出气孔，尺寸不宜过大，对气 缸盖这类铸件 ３一 ６最为适宜。如太大会产生细 砂坭：偏大在铁水充满型腔初期出气孔就会因铁水 ｌ７一 ｒ ．．——．一ｊ ＼’ ａｊ引出气系统 ｂ）直接出气 图３ 出气孔 ・３４・ 毛细作用导致冷铁堵塞而失去作用；孔ｑｏ３～ ６时 因铁水粘度较高不会产生毛细作用渗进，不存在一 开始就被堵塞而失去排气功能。 （２）引出出气孔，其尺寸应尽可能的大，这样不 仅可迅速排出腔内气体，改善铁水充型能力；还可排 出脏的铁水。 （３）明出气孔根部总截面积（仅对型腔出气）不 应小于内浇道总截面积，以保证出气孔能顺畅地排 出型腔中的气体： ２．２．】底注式浇注系统与排气系统间的关系 底注式浇注系统可使金属液平稳地注满型腔， 型腔中的气体和杂质也容易从顶面或顶侧面出气孔 及冒口中排出。 以上柴公司生产Ｄ６１ １４Ｂ气缸盖来表明浇注位 置与排气系统的关系（如图４、图５）为例。 Ｄ６ｌｌ４Ｂ气缸盖一箱二件，底注式浇注，采用上 盖坭芯，气缸盖最高处的搭子、筋部位，在上盖坭芯 上都做有冒口式的排气孔或排气槽，与上型排气通 道相连，集中排气。 ２．２．２中注式浇注位置与排气系统间的关系 中注式内浇道常设在分型面上，因而能方便地 开设浇注系统，中注式通常被用于简单的造型工艺 上，这类造型工艺往往不会使用上盖坭芯，所以不可 能采用砂型顶面大量直接排气系统，可采用根部大 截面的边引出出气系统。上柴公司气缸盖简易生产 线，其生产的１３５气缸盖浇注位置与排气系统位置 的设计，基本上反映了中注式浇注位置与排气系统 间的关系。（如图６、图７） １３５气缸盖一型二件，中注式、无上盖坭芯，顶 面最高处的搭子、筋等，大都采用暗出气孔、冒口及 图４ Ｄ６１ １４Ｂ气缸盖浇注排气工艺图 维普资讯 http://www.cqvip.com 暗出气片。 图５ 浇口位置与排出气系统的关系 图６浇注排气系统平面示意图 图７ 合箱立体示意简图 气缸盖是对气孔缺陷最为敏感的铸件之＿－。产生 气孔缺陷的原因很多，在设计浇注系统时，就不得不考 虑此事。浇注位置和排气系统设计是否合理、匹配，是 从浇注系统设计角度解决气孔缺陷的关键。气缸盖简 易线刚投产时，其排气系统仅有顶面暗冒口、暗出气孑Ｌ 及暗出气片，没有边引出出气冒口和边出气槽。气孔缺 陷一度高达生产量的３０％左右，排气系统改进后（如 图６、图７），现在的气孔缺陷仅占生产量的１—２％。 ２．３确定浇注时间和计算浇注系统中的最小断面积 当确定了浇注系统的类型、形式及布置之后，需要 计算浇注系统各组元的尺寸。一般先确定浇注系统的 最小截面尺寸，然后再按经验比例关系确定其它组元 的截面尺寸。 要确定浇注系统中的最小截面尺寸，就必须先确 定浇注时间，然后再根椐经验公式推算出最小截面 积。浇注时间不可太长，否则容易产生浇不足、冷隔和 气缩孔，而且铸型上表面长时间受强烈的烘烤，产生夹 砂、枯砂的可能性增大；如果时间太短，型腔内和进入 金属液中的气体没有足够时间逸出，在铸型刚刚充满 时产生过大的液体动压力而引起胀箱、抬箱和型内气 爆等。 现有的教材和文献都认为：每个铸件都有一个适 宜的浇注时间，浇注时间是根据铸型内金属的总重量 来确定的。 上柴公司各类气缸盖与浇注时间有关的数值见表 ２。各类气缸盖形状、结构相差很大，重量也有差异，至 于型内金属总重量更是相差悬殊。在质量基本稳定的 前提下，它们的浇注时间却大致相同。所以浇注时间主 要由铸件类型、浇注位置和浇注温度来决定的，与铸件 大小、铸型内铸件数量、铸型内金属总重量关系不大。 在浇注位置和浇注温度相同的条件下，应该视同一类 型铸件的浇注时间为某一固定值。 ２．４实例介绍 （１）简易生产线上生产的１３５气缸盖改进前，浇注 时间为９—１ １ Ｓ，铁水充满型腔之际，型内发出强烈的 气爆声响，并从出气孑Ｌ里喷射出炽热的火花，砂眼、气 孔缺陷居高不下，综合废品率有时高达５０％以上。在 改进过程中，浇注时间变为１５—１７ｓ，型内气爆声、出 气孔喷射炽热火花现象没有了，但冷隔、皮下大气孔缺 陷却直线上升，占综合废品的７５％左右；当浇注速度 改到１３—１５ｓ后，冷隔、皮下气孔得到了有效控制，综 合废品率基本保持在８％左右。 （２）４ｌ１４气缸盖改进前后工艺情况及效果： ・３５・ 维普资讯 http://www.cqvip.com 表２各类气缸盖与浇注时间有关的数值如下 浇注温度 气缸盖名称 ｌ３５气缸盖 内浇道 位置类型 中注 单件重量 ｋｇ 型内总 型内件数 ４ 浇注时间 Ｓ ℃ ｌ３５０ 金属量 ｋｇ ４ｌ ２００ ｌ３一ｌ５ 简易线１３５气缸盖 ｌ８０气缸盖 Ｄ６ｌｌ４Ａ气缸盖 ｌ３５０ ｌ ３５０ ｌ３９０ 中注 中注 底注 ４ｌ ４４ ６ ９５ ２ １ ２ ｌ００ ８０ ２９５ ｌ３一ｌ５ ｌｌ—ｌ３ ２３±２ Ｄ６ｌｌ４Ｂ气缸盖 Ｃ１２ｌ气缸盖 ４ｌｌ４气缸盖 １３９０ １３９０ ｌ３９０ 底注 底注 底注 ９０ ｌｌ７ ６２ ２ ｌ ｌ ２９０ １７０ ｌ００ ２２±２ ２０±２ ２０—２２ 表３废品分布情况 缺陷 百分比，％ 气孑Ｌ ６８．８ 夹砂 ｌ４，６ 砂眼 ６．３ 缩松 ４．２ 其它 ６．１ 废品率 ５６ 表４废品分布情况 缺陷 百分比，％ Ｉ 气孑Ｌ １８．８ 夹砂 １８．２ 砂眼 ２２．７ 缩松 ｌ３．６ 其它 ２７．３ 废品率 ７．４３ 原工艺：①平做侧浇，②底注，③浇注时间为２６— （２）气缸盖这类复杂重要铸件，其浇注系统类型 大多为中间注人式或底注式的浇注系统，理论上具 有封闭式特点。 ３０ｓ，④浇注温度１ ３６０—１ ３８０￣Ｃ，⑤直浇道为矩形 截面。效果见表３。 改进后：①平做平浇，②底注，③浇注时间为 ２０—２２ｓ，④浇注温度１ ３９０—１ ４１０℃，⑤直浇道为 圆形截面。效果见表４。 （３）气缸盖是对气孑Ｌ缺陷最为敏感的铸件之一。 浇注系统与排气系统设计得是否合理、匹配，也是解 决气孔缺陷的关键。为了保证排气效果，型腔直接 从以上实例可见：在浇注位置和浇注温度相同 的条件下，在经验比例关系的基础上，通过改变浇注 出气孑Ｌ要小，但在不会增加型腔细砂坭的情况下，出 气孑Ｌ要尽可能的大，引出出气孑Ｌ根部截面积肯定要 尽可能的大。为了保证出气孑Ｌ能顺畅地排出型腔中 的气体，出气孑Ｌ根部总截面积不应小于内浇道总截 面积。 系统各组元截面积，使得浇注时间趋于某一固定 值。否则，砂眼、气孑Ｌ缺陷就会得不到控制，综合废 品率将会居高不下。 ３结束语 （４）浇注时间主要由铸件类型、浇注位置和浇注 温度来决定，与铸件大小．型内铸件数量和铸型内金 属总重量关系不大。 浇注系统设计所涉及到的内容很多，现将重点 或与传统设计理念不同的方面归纳如下： （１）在浇注系统设计中，最简单的解决方法往往 也是最好的。为了防止夹渣缺陷，在浇注系统中尽可 能不要设置过滤网、阻流段等装置，只需在直浇道下 参考文献 １姜希尚等．铸造工艺． ２李魁盛等．铸造工艺设计基础． 面增设浇口窝，在横浇道末端增设集渣包来避免引 起额外紊流即可：、第一个内浇道与直浇道之问、最后 一３上海市第一机电工业《读本》编审委员．《铸工》． ４国家机械工业委员会．初级铸造工工艺学、 个内浇道与横浇道的末端之间必须有一定距离。 ・３６・