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汽车发动机铝缸盖金属型重力铸造的工艺研究


江苏大学 硕士学位论文 汽车发动机铝缸盖金属型重力铸造的工艺研究 姓名:王庆林 申请学位级别:硕士 专业:机械系铸造工艺及设备 指导教师:袁国定;杨伟震 20060601

江苏人学丁程坝l学位沦文

摘要
目前国内外生产发动机铝缸盖的铸造工艺方法有:金属型重力铸造工艺、低压铸造工艺、 特殊的低压铸造工艺、消失模铸造工艺、砂型低

压铸造工艺等。前两种是传统的、成熟的、 用得最多的铸造铝缸盖方法,特别是金属型重力铸造工艺使用得更多、更广泛,现今世界上

70一80%的铝缸盖就是用这种方法生产出来的。可是,针对铝合金缸盖的金属型重力铸造工
艺设计,特别是浇注系统的设计,尚未有比较完整、系统的报道。更没有详细的比较研究。 本文应用比较、归纳的方法总结其设计理论;用生产试验的方法修正、完善理论设计。 本文主要完成的工作是:1)详细地分析、比较研究了浇注系统设计的通用方法,金属型 重力铸造铝合金浇注系统的设计方法。总结出了设计思路。2)总结出了金属型重力铸造铝合 金缸盖浇注系统的顶、底注设计理论。3)金属型重力铸造铝合金缸盖浇注系统的底注设计理 论的实际应用印证及分析、研究。4)以市场上用得最多的铝合金缸盖作为设计依据,用Pro/E 软件建立出了铝合金缸盖浇注系统底注设计的3 D模型,为在企业设计中应用奠定了基础。 本文研究的结果是:给出了金属型重力铸造铝合金缸盖浇注系统的设计中应该注意的事项 以及必须遵守的规范。本文给出的金属型重力铸造铝合金缸盖浇注系统的底注设计计算公式 丰富和发展了浇注系统设计理论,对实践有指导作用。

关键词:钒合金缸盖铸造工艺方法、浇注系统i52汁、应用、3-I)模型、注意事项、遵jj’规范

江苏大学工程硕士学位论史

Abstract
\ow.the

method

el’foundry technology

that

produces

engi

ne

alumi

num

cy】inder

heads i n domestic and abroad has:The gravitY foundry technology of metal mold,the foundry technology of 10w pressure.specia】foundry techno]ogy of 10W pressure.10st foam foundry technology and sand mold 10w pressure foundry technology etc.The former
two

methods

are

traditional,mature,the most useful casting alumnum cylinder head of metal mold
uses more,more

methods.Especial 1Y the gravity foundry technology
extens Jve,nowadays
on

world,produces the aluminum cylinder heads from 70

to

80%.

However,to the gravity mo]d foundry technology design of aluminium alloy cylinder heads,especiallY the design systematic report.Not of gating system,there has not been
more

more

complete,
paper

there has been

detailed

comparison

study.The

summarizes the deslgn theories methods.It checks

of gating

system

using comparising and concluding

up and modifies

the design theories with producing test.

The content invo]ing in this paper is that:1)analyses,comparises and studies the general design method of gating system,the design method of gating system of the gravity metal moId for alumiMum alloy in

detail.2)Summarize

the design theories

of top and bottom pouring gating system of the gravity metal mold for aluminium a110y cylinder heads.Design thinking 1ine.3)It
to
use

is

tested and analyzed

and studied for

the design theory of bottom pouring gating system of the gravity metal mold

for aluminium alloy cylinder heads in production.4)Using the most popular aluminium a110y cylinder heads
as

design basis

on

market.3-D model is established for bottom

pouring gating system of the gravity metal mold for alumnium alloy cylinder heads with the software of Pro/E.It establishes foundation to apply in enterprise design. The paper gives the items of notice of gating system design of the gravity metal mold for aluminium a110y cyli nder heads.as well
as

the specifications

that

must

complY

with.The paper giyes calculating formula for design

of bottom pouring gating system

of the grayity metal mold for aluminium a110y cylinder heads.It riches and develops the design theory of pouring gating
system,can

guide the

production.

Keyword:The foundry technology
system




design,app]Y,3

D model



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汽车发动机铝缸盖金属型重力铸造的工艺研究

第一章绪论 §1.1问题的提出
随着各国航天航空、国防、汽车工业等产业的不断发展,对铸件的要求是:小余量、薄 壁、高性能、大型复杂、整体‘61[71[81pl。1999年在德国杜塞尔多夫举行的铸造国际博览会(GIFA- 99)‘11提出:21世纪铸件的发展趋势是:‘‘精密化、轻量化、近无余量铸件和零缺陷铸件,,的
口号。

目前,有色合金铸件的产量迅速增加,而铁合金铸件的产量在铸件的总产量构成比率中出 现了下降趋势。据统计‘21,从1970~1995年的25年中,在世界范围内的铝合金铸件的产量 以每年4%的比率上升,主要是由于它密度轻以及具有较高的比强度,这对于汽车和航空航天 工业产品来说十分重要。目前有色合金铸件在铸件材质的构成中,我国仅占4%,美国为7.9%, 日本为11.6%,而且美、日的有色合金铸件百分比在铸件材质的构成比率中,仍在继续增长。 特别是随着21世纪铸件轻量化和精密化的要求,有色合金复杂薄壁铸件的需求将会越来越 大,这也是未来铸造市场的发展趋势。目前在我国的轿车生产中,发动机缸盖、进气歧管基 本采用铝合金,离合器壳、变速器、气缸盖罩大部分采用铝合金,少部分采用镁合金。有的 公司在新开发的产品中,发动机缸体也采用铝合金,如奇瑞公司的AVL项目、东风公司@F- 州本罔项目。 国内外各大汽车公司对在汽车上使用铝合金、镁合金的态度上如此积极,主要是因为未 来汽车既要求操作性能好,又要求油耗低,无污染,这些都有赖于广泛使用有色合金代替钢 铁零件,实现“轻量化”llO]o研究表明,每降低100kg汽车质量,油耗可以降低0.7L/100krnl31。 当然,减少壁厚,采用合理的设计结构,也可以有效地降低霞髓。在减薄铸件8%~12%fl々情

况下,铸件的平均质量将减轻10%I…。这方面国内轿车发动机铝合金缸盖壁厚的变化也是明 显的,如改革丌放之初,I:海大众汽车公司及奇瑞公司引进的发动机铝合金缸盖壁厚均为4~ 6ram,而现在奇瑞公司开发的QQ汽车发动机铝合金缸盖壁厚只有3~5mm。 铝合金气缸盖是轻型卡车,特别是轿车发动机上的重要五大铸件之一。典型结构见图1一l。 其上部置有凸轮轴(较复杂的缸盖置有双凸轮轴),下部与气缸体、活塞组成燃烧室;前端置 有时规齿轮及其壳,后端置水泵;右端置有进气道,左端置有排气道。置于凸轮轴室的油道 通过缸盖与缸体相连;水道环绕着进、排气道、燃烧室,并与缸体相连。燃气在燃烧室内爆

燃时,室内气体温度瞬间高达1100℃以上【5】,这种高温循环热冲击反复作用于燃烧室内壁。
而在汽油发动机燃烧室内产生的压力峰值高达7Mpa[51,这个压力直接作用于气缸盖的燃烧室 部位。因此,气缸盖在发动机工作过程中的特点是:处于高温状态下工作,承受较大的热冲 击作用和产生应力集中。

图1.1典型缸盖结构


水道

2一油道 3一进气道 4一排气道 5一凸轮轴支撑面 6燃烧室

从以上的航天航空、国防、汽车工业的发展进程,以及铝缸盖的结构可以看出:铝合金 气缸盖是极其典型的汽车轻量化发展的产物,是典型的壁薄、复杂铸件,并在机械性能以及 渗漏方面有特别的要求,呵以说它的丌发成功与甭在很大秤度卜决定着发动机的性能好坏。

Im旧内外生产发动机铝缸盖的铸造工艺方法用得最多的是金属型重力铸造工艺。对于 金属型重力铸造铝缸盖的铸造=1:.艺设计,特别是浇注系统的设计,欧美吲家有比较完整的理 论与实践设计体系,而国内尚未有完善的设计体系,更谈不上建立在理论基础上的实践优化。 因此这方面的理论归纳、探讨,形成体系,在其基础上的实践优化,对于形成国内轿车发动 机核心重要件铝缸盖的成批生产的新产品开发能力尤其重要。本研究课题正是建立这种基础 上而展开的。主要完成的研究工作是 (1)研究、分析、总结了浇注系统设计的通用方法,铝合金浇注系统的设计方法I、II 存在的优缺点、适用范围;在此基础上根据铝合金缸盖的结构特点及性能要求,研究了其浇 注系统的顶、底注设计方法。总结出了铝合金缸盖浇注系统的设计理论。 (2)以生产中的两个实际应用例子印证了铝合金缸盖浇注系统的底注设计理论的正确 性,以及在生产实践中如何优化设计,提高产品质量。 (3)探讨了用Pm/E软件建立铝合金缸盖浇注系统底注设计的3一D数学模型中的一些问 题。

§1.2汽车发动机铝缸盖金属型重力铸造浇注系统设计的作用与意义
金属型重力铸造汽车发动机铝缸盖的铸造工艺设计,其核心技术是浇注系统的设计,这 决定着铝铸件的质量、机械性能、渗透性、表面轮廓的完整与否,决定着铸造工艺方案的拟 定,严重地影响着铸造工艺参数的拟定,铸件凝固顺序,也影响着铸造工艺参数的优化,试 模次数,影响着总投资额,严重时甚至影响着该产品的开发成功与否。因此对其理论进行归 纳与总结,并在实践中不断优化可以节约资金、减少试模、修模次数、避免模具报废,缩短 新产品丌发周期、降低成本、提高产品质量。

§1.3生产铝合金缸盖铸造工艺技术的国内外发展概况
目前圈内外生产发动机铝缸盖的铸造工艺方法有:金属型重力铸造l’艺、低压铸造工艺、

特殊的低压铸造工艺、消失模铸造工艺、砂型低压铸造工艺等。前两种是传统的、用得最多 的铸造铝缸盖方法,特别是金属型重力铸造[艺,现今世界上70~80%的铝缸盖就是用这种 方法生产出来的。采用这五种工艺方法生产铝缸盖铸件的目前技术特点比较如下
项日
金属型重力铸造工艺

低压铸造丁艺

特殊的低压铸造工

消失模铸造工艺

砂型低压铸造丁

设备

使用设备:进u的: 浇铸机多用FATA、 Kurlz公司的:制芯机
多用:意大利 Hansberg、FA,德国
Hotlinger、Laempe,

基奉|司前

尚朱n:生产中推广 应用。可以肯定除浇 铸^0L6"I-,其余相同。

泡洙塑料模型制 备用意大利FATA。 带3.D震动台的浇 注生产线也是意
大利FATA。

浇铸机改用砂型 铸造生产线,其余 同金属型重力铸
造工艺所用设各。

美国BP,西班牙 Loramendi,日本浪 索;熔化炉用德国
Strike,

意大利

Marconi,日本正英。 国产的:浇铸机多用 浙江万丰、青岛铸机 厂的;制芯机多用: 苏卅『铸机厂、重庆铸 机厂、苏卅I民志;熔 化炉用西安电炉厂、 南京电炉厂的。 工艺布置 顶注、底注;铸件凝 固顺序采取由下到 上,实现方式采用冷 却水、压缩空气及涂 料。 设计方法 首先得有产品3.D、 如没有产品3.D得用 逆向工程方法制作。 对产品3.D放上加工 余量、拔模斜度、缩 水;在此基础上用
uG、Pro.E、Carla等

底注;铸件凝固顺序 采取由上到下,实现 方式采用冷却水、压 缩空气及涂料。

底注;铸件凝固顺序 采取由上到下,实现 方式采用冷却水、压 缩空气及涂料。

顶注:铸件凝固顺 序采取由下到上。

底注:铸件凝固顺 序采取由上到下, 实现方式采用压 缩空气及涂料。

同前

基本同前

首先得有产品

同金属型重力铸

3.D、如没有产品 3一D得用逆向工程 方法制作。对产品
3.D放上加工余

造工艺设计方法

量、缩水;在此基
础P用切片加粘

3.D软件抽面命令取
}{{外形、进、排气道、 油道、日u、水道等

结的方法制作铸
件形状泡沫塑料 模型。

形状,放j。芯三L:根
据它们制作外模及.出

江并人学[程侦f学位沦文

模具

产品移J期开发阶段外

I司前

Ⅲ前

产量d、时泡沫塑 料模型制作模块 用45#tH;制竹:,产 量人时模块得换 成HI 3tH。

|【|j金属型重力铸

模模块nr用球铁、45# 钢制作,芯盒模块ⅡJ 用灰铁、铝合金制作。 待产品成熟后模块得
换成Hi3钢。 生产质量

造丁艺模具

外观轮廓清晰、完整 性较好。内部组织较 致密,抗泄漏性较好。 对砂芯强度要求较 低。

外观轮廓清晰、完整 性好。内部组织致 密,抗泄漏性好。对 砂芯强度要求较高。

外观轮廓清晰、完整

外观轮蛳清晰、完 整性一般。内部组 织撮较敛密,抗泄 漏性较好。表血易 起皱纹。铸件易产 生针、7飞孔。

外观轮廓清晰、完 整性好。内部组织 致密,抗7t1+漏性 好。对砂芯强度要 求较高。

性最好。内部组织最 致密,抗泄漏性最 好。对砂芯强度要求

生产率

较高(150只/每台机、 每天)

较高(150只/每台 机、每天) 较高(3-5万元/吨)

较高(150只/每台 机、每天) 较高(3-5万元/吨)

最高



成本

较高(3-5万元/吨)

最高(4-6万元/吨)



以上五种方法中的后三种方法是80年代以来才发展起来的新工艺,目前尚未普遍使 用。现将各种方法国内外的发展状况分述如下

§1.3.1金属型重力铸造工艺方法
金属型铸造又称硬模铸造,它是将液体金属用重力浇注法浇入金属型,以获得铸件的一 种方法。由于铸型是用金属制成,所以可反复使用多次(铝合金用金属型:铸铁制作的可以 用3~5万次,H13钢制作的可以用15~20万次,经改进过的H13钢制作的可以用50--100

万次㈣),故又有永久型铸造之称。其工艺流程如下

金属型铸造在技术上与经济上有许多优点。它与砂型铸造比较: (】)金属型铸件的机械性能比砂型铸造的高。如铝合金铸件,其抗拉强度平均可提高约 25%,屈服强度平均提高20%I他】,这是由于铸件在凝固时冷却速度高的结果。由于同样的原 因,铸件表层结晶组织细密,形成“铸造硬壳”,铸件的抗腐蚀性能和硬度亦显著提高。 (2)铸件的精度和表面机糙度比砂型铸件的高,而fl质量和尺q稳定。铸件的外形及外

——
工工时,降低成本。

垩堑查堂三堡竺±兰丝堡兰

表上的凸台由金属型成型,铸件上的7L洞虽山砂芯形成,但其定位均在金属型上,故其精度

较高,平均为7级【121;其粗糙度也较高,平均可达妙11 21。这样就可以减少加工余量,节约加

(3)铸件的工艺收得率较高,液体金属消耗量减少,与砂型铸造相比一般可节约15~30%。 (4)除了形成铸件的内腔,或者起模的需要外,不用砂或者少用砂,一般可以节约造型 材料80%~100%:相应地减少了砂处理设备和运输设备,减低了车问粉尘含量,减少环境污 染,改善了劳动条件。 #t#l-,金属型铸造还具有生产效率较高、铸件产生缺陷的原因少、工序简单、易实现机 械化和自动化等优点。 但金属型铸造也有不足之处,如: (1)模具制造成本高; (2)金属型不透气,铸件在其中冷却速度大,而且无退让性,易造成铸件浇不足、开裂 或铸铁件白口等缺陷。因此对金属型生产的铸件要有选择。 (3)金属型铸造时,铸型的工作温度,合金的浇注温度和浇注速度、铸件在铸型中停留 nkM,以及所用的涂料等铸造工艺对铸件的质量的影响甚为敏感,故要求严格控制。 金属型铸造目前所能生产的铸件,在重量和形状方面还有一定的限制,如对黑色金属只 能是形状简单的铸件,铸件的重量不可太大,壁厚也有限制,较小的铸件壁厚无法铸出。 鉴于上述原因,在决定采用金属型铸造时,必须综合考虑下列各因素:铸件的形状和重 量大小必须合适,要有足够的批量。金属型的制造周期比木模或金属模板的制作周期都长, 因此对试制产品必须要有充裕的时间。 1771前应用该法生产汽车发动机铝缸盖的国内工厂主要有: ?汽大众汽车公司有色铸造厂,

天滓汽车发动机厂有色铸造车间,』一海汽车有色铸造厂,南京泰克西铸铝有限公i可,芜湖三

i工苏人学T程硕i学位论文

佳科技有限公司。浇注系统卜的设计特点是:引进、消化意火利、西班二j:、美国铝合金缸盖 生产技术的多用底注式。引进、消化德国相应技术的多用顶注式。 国外,目前欧美国家生产发动机铝缸盖基本上用重力铸造的方法,生产布置上多用FATA 五工位转盘式,或直线式布置的较多。浇注系统设计上以意大利TEKSID铸铝公司为首的跨 国公司多用底注式。以为德国汽车厂配套为主的有色铸造厂多用顶注式。

§1.3.2低压铸造
低压铸造是液体金属在压力作用下由下而上地充填型腔,自上而下顺序凝固,以形成铸 件的一种方法【17】。由于所用的压力较低(一般20~60千牛/米2),所以叫低压铸造。其工艺 过程(见图1—2)是:在密封的坩埚3(或密封罐)中,通入干燥的压缩空气,金属液2在气 体压力的作用下,沿升液管4上升,通过浇口平稳地进入型腔8,并保持坩埚内液面上的气 体压力,一直到铸件完全凝固为止。然后解除液面上的气体压力,使升液管中未凝固的金属 液流回坩埚中,再由气缸12开型并推出铸件。在该铸造方法中采取措施,如模块各部位用不 同材料【18】,或加冷却水以便实现自上而下顺序凝固是非常重要的。 其工艺流程基本同重力铸造工艺,只是将浇注工序的设备换为低压铸造机即可。 从以上过程可以看出:金属液在压力推动下进入型 腔,并在外力的作用下结晶凝固,进行补缩;其充 型过程既和重力铸造有区别,也和高压高速充型的 压力铸造有区别;它给低压铸造带来了某些独特的 优点。这些优点表现在下述几个方面 (1)液体金属充型比较平稳。这是由于低压铸 造采用底注充型,其上升速度容易控制。能够避免 会属液对型壁或型芯的冲刷,因而减少铸件J。生火
幽l一2低压铸造的l:芝示意 1.保温炉2一液体金属3一坩埚4.升液管5- 浇【J 6一密封薷7一r删8.型腔9一E刑10一顶
丰{_1 I—J rJi}t扳】2-气缸1 3._H¥密封垫
进气

空气

杂缺陷的机会;同时,型腔内液流与气流方向一致,从而较少了产生气jL的可能行,提高了 铸件的合格率。 (2)铸件成形性好。低压铸造时,金属充型是在外界压力作用下强迫流动的,从而提高 了液体金属的充型能力,有利于形成轮廓清晰、表面光洁的铸件,这对于大型薄壁铸件的成 形更为有利。 (3)铸件组织致密,机械性能高。因为铸件的结晶凝固是在压力作用下进行,补缩效果 较好,从而提高了铸件的机械性能。如抗拉强度与硬度,一般要比重力铸造提高10%左右【”1, 而对于要求耐压,防渗漏的铸件其效果更好。 (4)提高了金属液的工艺收得率。由于低压铸造利用压力充型和补缩,大大简化了浇铸 系统和冒口系统的机构,使金属液的收得率大大提高,可达90~95%。 (5)劳动条件好,设备简单,易实现机械化和自动化。 当然,低压铸造也存在一些缺点: (1)对砂芯的强度要求较高。如用该法生产发动机铝缸盖,水道芯一般得用壳芯,这给 清理工序带来较大的困难,一般得增加培烧工序,增加设备投资。 (2)不易100%地保持恒定的充型压力与充型定量。 (3)由于设备与模具结构的原因,对合模过程中产生的散落砂不易吹干净。 由于上述优点,因此这种工艺得到广泛的应用,特别是在汽车发动机铝缸盖铸造上的使 用。目前,在亚洲的日本与韩国,发动机铝缸盖铸件生产上几乎完全使用低压铸造。就连以 使用金属型重力铸造闻名于世的意大利TEKSID铸铝公司在墨西哥的工厂也开始使用该工艺。 该工艺布置上的特点是:铸件薄壁部位布置在远离升液管、厚大部位紧靠升液管;前述部位 最先凝固,后述部位最后凝固。工艺布置方式与重力铸造方法刚好相反,凝固顺序也『F好相
反。

7【苏人学T程硕L学位论文

目前国内的使用状况是这样的:与H本或韩困汽车厂相配套的铸铝J‘,或引进|_1本、韩 国发动机技术的发动机厂的铸铝厂基本上都使用低压铸造工艺。如:沈阳:菱汽车发动机厂 的铸铝工厂,北京现代汽车厂的铸铝厂,上海通用汽车公司烟台铸铝厂,哈尔滨东安汽车发 动机厂的铸铝车问,重庆汽车发动机厂的铸铝厂+等等都使用该工艺。

§1.3.3特殊的低压铸造工艺
为了充分发挥低压铸造的优点,在一般低压铸造工艺的基础上,又发展了一些特殊的低 压铸造工艺:真空吸铸、差压铸造、调压铸造。这里从分析研究当今铸造铝合金研究的热点 调压铸造出发,比较论述其它几种方法。 调压铸造的工作原理则可以描述如下:首先使型腔和金属液处于真空状态,并且对金属 液保温并保持负压;充型时,对型腔下部的的液体金属液面施加压力,但型腔仍保持真空 将坩埚中的金属液沿升液管压入处于真空的型腔内;充型结束后迅速对两压室加压,始终保 持下部金属液和型腔之间的压力差恒定,以避免铸型中未凝固的金属液回流到坩埚中导致铸 件缺陷;保持正压一段时间,使金属液在压力下凝固成形,待型腔内的金属液完全凝固后 即可卸除压力,升液管内未凝固的金属液回流到坩埚中‘1 91。 调压铸造装置见图卜3。其与差压铸造最大区别在于不仅能够实现正压的控制,还能够 实现负压的控制。装置包括两个相互独立的内部气体压力独立可控的压室,以及实现气体压 力调控的控制设备。下压室与上压室之间相互隔离,并实现两压室与外界气压的隔离。其中 下压室内安装坩埚以容纳熔融金属液,在温控系统控制下采用保温炉对金属液温度进行控制。 上压室内安装铸型,型腔开IZl并与升液管连通,插入熔融金属液面,两压室同时以管道分别 与正压室控制系统和负压室控制系统相连,将气体导入或导出负压室,以实现压室内气压从 负压到正压的精确控制。因需要实现更为复杂的气压调整曲线,调压铸造装置对控制系统控 制精度大的要求有大幅提高要求1阳1。

图1.3调压铸造装置示意图

图1-4以铸型环境气压P1和金属液环境气压P2变化形式给出了低压铸造、真空吸铸、 差压铸造、调压铸造4种铸造技术工作原理的对比。图中压力数值的零点以大气压力为准。 从图中可以看到,低压铸造通过提高金属液表面气压使其高于大气压力从而获得充型压力

(1)低压铸造

f21真空吸铸

(3)差压铸造

r41调压铸造

P1一铸型环境气压;P2一金属液环境气压 图1。4反重力铸造铸型及金属液环境乐力示意圈

在充型过程中该压差随时问增大以补偿金属液位升高所需的附加压头。真空吸铸是通过降低 铸型内气压使其低于大气门!从而获得充型』Ii力,在充型过程中该胍差随时问增大以补偿金属

}=[苏人学T程硕1.学位论文

液位升高所需的附加压头。埘于差压铸造(以减,Ij法为例),压力曲线的调整变得相对复杂 首先同时提升上下两个压室的气压,然后减少铸型所在的上压室的气压形成压差,将下压室 内的金属液压入铸型。 与其它反重力铸造相比较,调压铸造技术有4个重要特征 (1)真空除气

f2)负压充型旧
(3)正压凝固

(4)控制精确㈣
但很遗憾的是目前该方法在国内外尚未有大量投入生产使用的报道。

§l,3.4消失模铸造
用一定粒度的泡沫塑料制备成铸件的形状(注意:如铸件结构比较复杂时,常将其分成 若干片制造,再将其用粘结剂粘为一体)及浇注系统,表面浸或刷上涂料并烘干,然后将其 吊褂放入三维震动台的圆柱桶内,填上干砂,充分震实,并对圆柱桶抽真空,然后浇注熔化 泡沫塑料成型铸件的方法[20】[211。其生产工艺流程如下

—至习—怔三习—至匝—互三一 区至囝
该方法的优点是: (1)不需要浇注外模。 (2)制作的铸件结构可以相当复杂,使原来用其它方法不可能铸造的铸件成为可能。有 的原来需要分体铸造的铸件可以连体铸造。 (3)砂子可以很容易地实现再生利用,减少对环境的污染。

该方法的缺点是:

f11如控制不当重要工艺参数充型速度,铸件易产生针(气)孔…11221旧124]o
f21泡沫塑料熔化后产生的气体需经净化处理后方可排入大气,废气处理装置要求较高。 (3)3-D震动台需要具有专门技术的装置。 该方法在国外主要用于大批量生产发动机铝合金进气歧管,也有用于大批量生产发动机 铝合金缸盖的,但废品率较高,如在意大利的TEKSID铸铝厂。国内拥有该技术的工厂主要 也是用于生产发动机铝合金进气歧管,如一汽的有色金属铸造厂。

§l。3。5砂型铸造方法
砂型铸造方法可以分为:重力砂型铸造和低压砂型铸造,实际上就是将原来由外模成型

匝悃{互至卜-匝至亟巫}伍亟
的铸件外形改为砂型成型。其生产工艺流程如下:
r———————1

—_叫终检查l—一叫包装、发货I
其显著优点是:若再配置上自动组芯、自动浇注设备(常规的是气压式;最先进的是用电 磁1可以使生产率大大提高。国外美国FORD汽车公司的铸铝厂有使用的报道。英国的Rover 汽车公司的铸铝厂使用低压砂型铸造方法生产发动机的铝合金缸体和缸盖。国内使用该法主 要用于摩托车铝缸盖的生产,如南京金城精密铸造厂就使用该法。 从以上各种生产铝合金缸盖的铸造方法中可以看出:金属型重力铸造工艺、低压铸造工 艺是传统的、成熟的工艺。特殊的低压铸造工艺是研究、发展的重点工艺,离实际生产应用, 特别是汽车上复杂铸件生产上的使用尚有一定的距离。消失模铸造工艺、砂型铸造工艺在汽 车复杂铸件生产上有一定的使用,但未大量使用。 在两种传统的、成熟的铸造铝缸盖方法中,金属型重力铸造工艺使用得更多、更广泛。 从我丌发新产品的实际历程r}|得…:对生产针j缸盖,会属型蘑力铸造1_艺要更好mj。主要

江苏大学工程顾卜学位论文

表现在水道内的光洁度,以及央(粘)砂情况,用金属型重力铸造工艺生产的铸件要比低压 铸造工艺生产的好得多。见下图1.5

a)金属型重力铸造法生产的缸盖水道

b)低压铸造法生产的缸盖水道 (黑点为夹砂)

图1.5重力、低压铸造法生产的缸盖水道比较

§1,4本文的主要研究内容
在国外,铝合金缸盖的金属型重力铸造工艺,浇铸系统的设计应用研究起步较早(主要 是发达国家的轿车工业推动),有比较完整的理论研究与生产实践的优化。而国内这方面的研 究理论上尚未形成完整的体系,实践经验的优化更是欠缺。本文正是建立在此需要的基础上 而展开研究的,主要完成的内容如下 (1)研究、分析、总结了浇注系统设计的通用方法,铝合金浇注系统的设计方法I、II 铝合金缸盖浇注系统的顶注设计方法,铝合金缸盖浇注系统的底注设计方法。总结出铝合金 缸盖浇注系统的设计理论。 f21以生产中的两个实际应用例子分析说明如何应用铝合金缸盖浇注系统的底注设计方 法,以及在生产实践中如何优化设计,提高产品质量。 (3)探讨了用Pro/E软件建立铝合金缸盖浇注系统底注设计的3一D数学模型中的一些问
题。

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第二章铝合金重力铸造浇注系统设计方法的比较研究
适t}}j于各种合金的浇注系统设计模型分析可以看出浇注系统设计的总体思路、步骡。对 铝合金浇注系统设计的模型分析研究可以看出其浇注系统设计的特点,及其注意事项。建立 在以上这两种设计模型基础之上的铝合金缸盖的顶、底注浇注系统设计模式则是指导该类铸 件相关设计的理论依据;它们指导着设计与生产实践的优化。

§2.1浇注系统的通用设计方法(适用于各种铸件)
浇注系统的通用设计方法是设计的通用、一般性理论,其建立的模型多以黑色金属应用 为主,但对其它合金的浇注系统设计有一定的指导作用。

§2.1。I浇注系统的组成及设计内容
浇注系统是铸型中液态金属流入型腔的通道。一般铸铁件浇注系统的机构如图2—1所示 主要由浇口杯(外浇口)、直浇道、横浇道、内浇道四部分组元组成。 浇注系统与铸件质量有密切的关系。它的主要功能是:将型腔与浇包连接起来,并平稳 地导入液态金属;挡渣及排除型腔中的空气和其它气体;调节铸型与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适的时间范围内充满铸型:不使金属过度氧化 有足够高的压力头,并保证金属液面在型腔内有必要的上升速度等,以确保铸件的质量。合 理的浇注系统应能节约金属,并有利于减小冒口的体积。此外,结构要简单紧凑,以利于提 高铸型面积的利用率,及方便造型和从铸件上清除掉。

幽2.1浇注系统结构 浇【j杯2.直浇道3一横浇道4一内浇道

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?】丁见,_丌三确地设计浇注系统对保证铸件质量,提高生产率和降低铸件成本是重要的。 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 (2)合理地在铸型中布置浇注系统及确定内浇道的引入位置及个数 (3)计算浇注时间和浇注系统中的最小断面积,确定直浇道的高度(如有浇口杯则从杯 中液面高度算起); (4)按经验比率数据决定其它组元的断面积 (5)大批量生产时需经生产阶段的反复试验,如有不足之处,应调整以上各项设计内容, 甚至修改工艺方案,直到合理并保证质量为止。

§2.12浇注系统类型的选择
浇注系统常用的分类方法有两种:一是根据各组元断面比率关系的不同,即阻流断面位 置的不同,可分为封闭式和开放式浇注系统;另一是按内浇道在铸件上的相对位置不同,将 浇注系统分成如图2—2所示的顶注式、中间注入式、底注式和阶梯式等几种类型。

a1

b1

c、

图2.2金属注入型腔的几种形式 a)项注式b)中间注入式c)底注式d)阶梯式

】.按断面比例关系分类 】)封闭式浇注系统 封闭式浇注系统是指从浇口杯底孔剑内浇道的断面积逐逐渐缩小,即内浇道的断面积之

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和∑F。最小,∑F^<∑Fm<∑F"#<∑Fn#≤E FM,浇口杯底孔的断面积F朴扎最大,其阻 流断面正好是内浇道的浇注系统。 满, 这种浇注系统在浇注开始不久各组元能迅速被金属液充

故在浇注后不久就有较好的挡渣能力,一般说还可以减少金属液的消耗,在铸型中也较

易安排,清理方便。其缺点是金属液进入型腔的线速度高,易冲坏砂型和砂芯,易产生喷溅 并使金属液的氧化加剧。 合金属件、 因此封闭式浇注系统主要用于中、 小型铸铁件,对怕氧化的有色

铸钢件和高大的铸铁件(直浇道也很高,静压头也高)则不宜使用。

2)开放式浇注系统 这种浇注系统是指从浇口杯底孔到内浇道的面逐渐加大(即∑F自>∑F横、∑F直->∑F直 。*)、阻流断面在直浇道上口(或浇口杯底孔)的浇注系统。在浇注过程中,当型腔内的 液面高度没有超过内浇道的高度位置、而各组元断面积的开放比例又相当大时,金属液不能 充满浇注系统,故呈无压流动状态。这样的浇注系挡渣能力很差,消耗的金属液也较多,但 液流流出内浇道的速度,只与未被充满的横浇道中的金属静压力有关,而与整个浇注系统的 高(直浇道高度+浇口杯高度)和金属液的动压力无关,故充型平稳,主要用于易氧化的有色 合金铸件、球墨铸铁件及使用漏包浇铸的铸钢件。 3)半封闭式浇注系统 其断面比例关系是:
∑F№≥F自≥∑F☆

这样的浇注系统直浇道一般是上大下小的锥形,能很快充满,而横浇道断面最大、充满 较晚,可以有效降低液流速度,在浇注开始时充型平稳,对铸型的冲刷比封闭式浇注系统小 得多,挡渣作用则比开放式好。当横浇道的断面比内浇道大得多时,横浇道虽然在较长时间 罩未被充满,如液面超过了内浇道顶面(指内浇道位于横浇道底部时),横浇道仍有一定的 挡渣能力。半封闭式浇注系统存各类铸铁件上,尤其在球零铸铁件及表面下型中广泛使用。

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4)封闭一丌放式浇注系统
其特点是控流量的阻流断面位于直浇道下端,或在横浇道中,或者在集渣包出口处 故浇注系统各组元的断面比例相应地有以下几种关系
(1)F¨>艮<∑Fm<E F自 (2)F¨>F直>EF#镕nm口<EF#E<E F自 (3)F自>F目<∑F横E<∑F自

或F目>F舶<∑F自<∑F穑目 其中EF;;是指阻流断面之后各段横浇道断面积之和。这类浇注系统在阻流之前是封 闭的,可起挡渣作用,其后开放,故兼有闭封式及开放式两者的优点,一般用于小型铸铁件 及铝合金金浇注。 2.按内浇道位置的高低分类 1)顶注式 顶注式是从铸件浇注位置的上部浇入金属液(图2—3),铸件大多位于下箱, 进入型腔时以自由流股下落。 因此有如下特点 金属液

(1)对铸型底部冲击力大,流股与空气接触面积大、金属液会产生激溅、氧化,易造成砂 眼、铁豆、气孔,氧化夹渣等缺陷。 (2)顶注在铸型中所形成的温差与一般铸件由底部开始逐渐向上的凝固顺序一致,能加强 凝固的顺序性.有利于顶部冒口对铸件的补缩,可以减小轴向缩松的倾向及冒口的体积。 (3)金属液从顶部充填型腔易于充满,对薄劈铸件可以减少浇不足、冷隔等缺陷;浇注系 统的结构可以简单和紧凑(如直接开设在铸件上的由浇口杯和直浇道两组元组成的“本身浇 口”),便于造型,金属液耗量也少。 (4)适用结构比较简单且高度1i大的薄壁铸件, 以及致密性要求较高、需用顶部冒|1补

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缩的中、小型厚璧铸件。而易氧化的合会则不适宜采用

图2-3顶注式浇注系统 的一般形式

图2-4底注式浇注系统的 一般形式

2)底注式 内浇道位于铸件底部,金属液从型腔下底部注入的浇注系统(图2—4)称为底注式浇注系 统。它的内浇道很快就被金属液淹没,因此充型平稳,不会产生飞溅、铁豆,型腔内的气体 易于排除,金属氧化少。同时型腔内液面升高后可使横浇道较快充满,较好挡渣。 由于充型时液面上升平稳,如果铸件过高,金属液在上升过程中长时间与空气接触,表 面易生成氧化皮(铝合金最为明显),它不但妨碍金属液内气体的排出,恶化铸件上表面的 质量,而且在垂直的薄壁部分中的氧化皮会被上升的金属液突破并挤粘于两侧的型壁上,影 响铸件的表面质量。 底注时高温金属液从底部进入型腔所造成的温差与靠重力补缩的顺序相反,所以对补缩 不利,当铸件较高时更甚。 因此,底注式浇注系统主要用于高度不大,结构复杂的铸件。钢

件及易氧化的铝镁合金、铝青铜及黄铜等也多采用底注。 3)中间注入式 两箱造型是生产中、 小型铸件最常用的一种造型方法,而且大多数铸件都分布在上下

两箱中。在分型面上开设横浇道、内浇道,从铸件中间的某一高度上引注的浇注系统称中间 注入式。如图2一j所示,中间注入式浇注系统对]一铸件分型面以下的部分是顶注,对上半部 则是底浇,故兼有顶注式和底注式的优点和缺点。这种浇注系统也只适用于高度不大的铸件。

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图2.5中间注入式浇注系统 I.浇13杯2-出气孔

图2—6阶梯式浇注系统

4)阶梯式 对于高度大、 特别是材质液态体收缩也大的铸件需用如图2 6所示的阶梯式浇注系统,

它浇注之初金属液只从最底层内浇道流入型腔,待型腔内的液面上升到接近第二层内浇道时, 才从第二层内浇道流入型腔。这祥各层内浇道由下而上逐层接替地起作用,最上层内浇道通 入冒口,可保证实现顺序凝固和冒口最后冷凝。 所以,阶梯式浇注系统能够做到:平稳充型,顺序凝固,充分补缩铸件。因而阶梯式浇 注系统可减少铸件上的砂眼、气孔、冷膈、浇不足、缩孔、缩松、氧化等缺陷;而使其组织 致密。其缺点是结构复杂,故造型(劈箱造型例外)和清理工作也较复杂。

§2.13浇注系统最小断面尺寸的计算
设计浇注系统除了正确选择其类型、引注位置及在铸型中的合理布置外,如果各组元的 尺寸及断面比例不恰当,仍然不能得到理想的结果。 金属液进入型腔的速度和流量对铸件质量有相当的影响,而控制金属液流速的最小断面 又决定着充型速度。所以确定浇注系统各组元的断面尺寸,首先应计算控制浇注速度的最小 断面尺寸(对于封闭式浇注系统,其最小断面足内浇道,而非封闭式的其他浇注系统的阻流 断向则在内浇道以前的某个相应位置),然后以最小断面移:为揍数,按经验比例关系再确定其

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他组元的断面积。 生产中各种确定浇注系统的计算方法,大多是以水力学原理为基础的近似计算方法,其 计算模型及推导过程如下: 1.水力学公式的导出和应用 图2 7为一封闭式浇注系统,内浇道是需要计算的阻流位置。对于充填下半型腔而言, 可以认为总压力头是不变的稳定流动,设单位时间内流经内浇道金属液的体积为Q m3/s,则
(2—1)

式中

F。——内浇道断面积m2; u一——内浇道出口处的平均流速m/s,u一可由伯诺里方程求出。



图2.7浇注系统水力学计算简图

黼 腻
f抖
j‘=}}-2

从浇口杯液面到内浇道出口处的伯诺里方程‘261是

H。+丝+豆:o+丛+蔓+∑h
,29


(2—2)

29

式中H。——作用于内浇道的金属液静压力头,即由浇口杯内液面到内浇道重心的垂直距离
(m),H。=H#州自,无浇口杯时H。=H自 其中:

p,、——作用于浇口杯液面上的大气压Pa u,、——浇口杯内金属液的平均流速m/s g——重力加速度9.8】m/s?;

y——金属液重度N/m3 P一——型腔中气体的压力
Pa;

∑h——总阻力损失(包括沿程阻力损失及局部损失)m。
从式2—2可得

——焉2
F自)29Ho

(2 3)

将2-3式代入2 1式得

阿忑两
(2—4)

为了计算简单,可将上式简化为
Q=u

F。:尘 p)29Ho
一j

式中“一流量系数



亭磊

(2—5)

可知,“的数值与许多因素有关。 在浇注时间t内,金属液流经内浇道流入型腔的总重量为G(包括铸件、冒口、出气孑L 等),则G-Qyt牛,Q=C/yt,其中金属液重度7(对铸铁)取其值为7.OX 7代入式2-4得
104

N/m3,将Q与

F产坠
∥129日。

、西7ui瓜



G : ————————————————————====



(2—6)

0.31×10。,ut4Ho

式2—6就是计算浇注系统最小断面尺寸的水力学公式,也称阿暂公式㈣。式中的I{。,在金
属液充填内浇道以下型腔时是不变的。但当型腔内的金属淹没内浇道、并继续充填内浇道以 的型腔时,静压力是在‰与(n。一P)之间变化的数值,而不是‰(见图2 8),因之需要用

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平均计算压力头l{,代替H。阿暂公式要改写成

F产

g一 。0.31×106阻_Hp

(2—7)

在2—7式中,G可以通过计算、估算或称量得到,t、HP与“ 讨论其数值的确定。

均为待定值,下面分别

1)浇注时间t的确定和型内液面上升速度的检验,计算浇注时问是为了使金属液在预定 时间内注满型腔,获得高的工艺出品率,使废品率最低。 每一个铸件均有其最合适的浇注重量速度,即有一个最适宜的浇注时间范围。这个时间 的长短决定于合金的种类、铸件的特性(复杂程度、结构、尺寸及壁厚等)和所用浇注系统 的类型。 生产中常用经验公式确定浇注时间,但都要经过生产验证、调整。如:对于重量在100KN (10t)以下的中、大型铸铁件可使用下式【25】:

t=s。V丽
式中

(2 8)

6——铸件壁厚,mm。对宽度大于厚度4倍铸件,6可取铸件的壁厚;对于圆形或正
方形的铸件,6取直径或边长的一半;对于形状复杂的铸件,6取主要部分壁 厚:

Sj——系数,一般情况下S,=O.96,当铁水含硫较高,含碳小于3.3%,流动性较差
或浇注温度较低,或用底注而冒口在顶部,或有内外冷铁等而需快浇时,取
S.=0.79 0.89。

浇注时间确定之后,对具有大平面或结构复杂的薄壁铸件,还应该核算型腔中液面的上 升速度。因为液面上升速度如太慢,可能形成氧化膜或结壳,在砂型顶面和侧壁,则因金属 液的长时间烘烤,易出夹砂等缺陷。核算方法如下

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一C


m/s

(2—9)

式中:c铸件在已定浇注位置的高度m; t一浇注时间
S。

u。,的数值应大于表2—1所列经验数据,如太小,就要调整t,甚至修改工艺方案。 表2一I最小液面上升速度与铸件壁厚的关系
铸件壁厚(mm) 最小u LH值(m/s)
<4 4~lO

lO~40
0 02~O.01 0

>40

0.1~0.03

O.03~0.02

01~O 008

2)确定平均静压力H。及最小剩余压头‰。平均静压头可按浇注时间计算,即在H。的作 用下使型腔在时间t内充满,因计算繁杂,不便使用,故生产中均按金属流经浇注系统所作 的功来求H。。

图2-8平均压力头计算简图

在图2-8中,C为铸件总高度,P为内浇道以上的铸件高度,H0为内浇道以上金属液静压 头(H0=H#+H自),S为铸件随高度而变化的断面积,则SdH单元容积,y为金属液重度。假 设计算的铸件其断面沿高度方向不变化,则s=常数。当充满内浇道以下的型腔部分金属液流 经内浇道所消耗的功为

A-=yS(C—P)H0
而充满内浇道以上型腔金属流经内浇道所消耗的功则为

¨=fl‰Jo-PyHsdH=芦最尸删=y S卜一钟芦P卜割 2芦岳。Jp删2【H。Jp一号I H。一号J
A【13 2芦P

充填整个型腔所消耗的功为

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A—A j+A

F一芦P;Ho

而A又可写为

A=ySCHI,

舢=矽卜小则州n。

。。:一—7sP—(H—o-Pi)+ryS(一C-P)Ho
化简得

驴卜丢
顶注时 底注时 中间注入时 女l:l
P=0,H,zHo

∽㈣

对封闭式浇注系统,如图2—2 a)、b)、C)所示的几种情况中

P=C,HozH。一1



P2三柚_H。一三。

为了保证金属液能充满离直浇道最远的铸件最高部位,铸件最高点离浇口杯内液面的高 度必须有一最小值HM(称剩余压头,‰=Ho--p)。当铸件尺寸较大而壁又较薄,以及在液态金

属流路较远的情况下,需用压力角核算HM是否足够(见图一9)。其计算方法如下

式中

L——铸件最远最高点至直浇道中心线的水平距离mm a——压力角度,可参阅有关表格决定。

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3)确定流量系数∥值从(2 5)式可知,∥值大小与浇注系统的结构(H及∑h)、浇注 方式(u,、)、铸型特点(如复杂程度、壁厚、有无明冒[1和出气孔、铸型的透气性和发气性 等)及合金的特性等因素有关,而日存浇滓系统末充满前流动是不稳定的,“值将减小。因 此,口的理论计算不但繁琐,也不准确,所以都用实验方法或根据经验确定。 2.浇注系统各组元断面比例数值选择浇注系统断面比例的具体数据都是根据经验确定 没有统一的规定。表2—2所列比例关系,只作为选用的参考。 表2—2浇注系统各组元断面比例关系
类型 封闭式
∑F自 1 l 1 l 1 1


∑FⅨ
1.5 1.2 1.1 1.06 1.1

:∑F




应用范围 大型灰铸铁件砂型铸造 中、大型灰铁件砂型铸造 中、小型灰铁件砂型铸造 薄壁灰铁件砂型铸造 可锻铸铁 铸钢件(转包浇注) 中、小型铸铁件 重型机械铸铁件 铸铁件表面干燥型 美国应用




2 1.4 1.15 1.11 1.5



















(1.1~1.3)




(1.2~1.6) (1.1~1.2)
1.2 1.1 4

半封闭式及 开放式

1:(1.3~1.5)




1.4 1.5 8













(1.5~4)
3 1



(2~4)



球墨铸铁 铝合金、镁合金 青铜

:8

:4



(1.2~2)



(1.2~3)

通过以上的分析研究可以看出:通用浇注系统的组成、结构、类型;阻流面积的计算理 论模型,相关影响因素的处理方式(即:以各种系数的形式加到计算公式中),各组成部分截 面积的计算等。其梳理出了一般浇注系统的设计思路。但将该设计理论直接应用于铝合金金 属型铸造浇注系统的设计,特别是缸盖类铝合令,其明显显得不够,特别足针对铝合金性质

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以及缸盖结构特点万向。

§2.2基于最小截面法的铝合金金属型重力铸造浇注系统的设计方法
这一节所归纳总结的设计理论是:通用浇注系统设计思想在铝合金中的应用,特别是浇 注系统最小截面的计算。但其著不是照抄、照搬,而是结合铝合金易氧化、吸气的特点,在 设计中遵守了:由于金属型冷却速度快,故浇注速度也快,浇注系统应适应快速浇注;铝液 应平稳地进入型腔;铝液充满型腔时应有利于气体从型腔中排除;浇注系统应开在热节处, 有利于补缩;应避免将浇注系统开在加工基准面上,并有利于铸型开合、取件操作;等规则。 1.浇注系统类型 常见的浇注系统类型有顶注式、中注式、底注式和缝隙式四种。对铝合金铸件,当H/L

<1(H一铸件最大外轮廓尺寸的高度,L铸件最大外轮廓尺寸的宽度)时常用底注式浇注系
统,以免氧化渣进入铸型,且排气方便;当H/L—I,可选用中注式浇注系统(热量分布较合 理);对圆型铸件可采用缝隙式浇注系统。 2.浇注系统的设计 1)直浇道设计 直浇道形状有垂直、倾斜、蛇形式等,其截面形式有圆形、椭圆形、扁圆形、偏六角形、 梯形等。其中偏六角形及梯形,需设计拔模斜度。且应遵守下列规定: (11直浇道应设计成封闭式。 (2)不带浇口杯的直浇道,其上部喇叭口直径最好不小于中30mm。 (3)主直浇道超过150mm高度时应采用倾斜式,但高度不超过250mm。当浇道高度≤ 100mm时,斜度应>15。;当浇道高度为100~200mm时,斜度10。~15。;当浇道高度为200~ 300mm时,斜度为50~100。 f41当直浇道高度超过250ram时,改用蛇形,并可用集渣包代替横浇道。

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(5)直浇道最好用厕形,截而直径不超过25mm。 (6)对于大型铝合金件可将大截面分为2~3个较小的直浇道。 2)横浇道设计 横浇道起缓冲、稳流、挡渣作用,还将直浇道金属液分配给内浇道。除底注式外一般不设 计横浇道,而设计不同形式的直浇道,或直浇道下设置集渣包代替横浇道。

(1)横浇道类型如图2~10所示。 (2)横浇道截面形式如图2—1 1所示。

窖誉一避
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图2—10横浇道类型
(a)(b)(c)适用于垂直分型(d)适用于水平分型 】一直浇道2—横浇道3-内浇道4-NNN

些哒出

旷 f


图2—11横浇道截面形式
(a)(b)(c)适用于垂直分型(d)(e)(f)适用于 水平分型(曲适用于环形

3)内浇道设计 内浇道直接与铸件相连,控制铝液流速与流量,与铸件质量有直接关系。设计内浇道必须 考虑位置、形状、尺寸和热量分布,且使铝液流动平稳、操作方便。内浇道的形状及截面见

图2—12所示:

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砷哼… 辞蹄㈤

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一j?

一i一

萋《口锈蜓汹:{堂
41过滤网

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C;?J Ch)

图2—12内浇道形状及截面 (a)由砂芯形成(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)由金属型形成

为取得优质铸件,金属型浇注系统必须考虑设置过滤网并置于直浇道顶端。铸铝合金过滤 网一般采用硅酸铝纤维编织网,网孔尺寸为1.6mmXl.6mm、2.0
mmX2.0mm、2.5mmX2.5ram。

3.浇注系统计算 确定浇注系统各截面的尺寸是十分复杂的问题,与许多因素有关,如铝合金性质、铸件结 构、铸造工艺、浇铸温度等。 1)浇注系统最小截面积计算 铝合金铸件浇注系统大多采用开放式浇注系统,但直浇道是封闭的,其最小截面积计算公 式如下:

盼丽G/,一厮G(耐)(2_12)(同2
式中:F:——直浇道截面积,cm2 G——铸件和浇冒口所需金属液重量,kg T——浇注时间,S;

6式,注意单位变化)

Y——液体会属密度,g/cm‘(铝合金约为:2.5~2

7)

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u——阻力系数: Hp——平均压力头: G——重力加速度。
该公式中主要参数选择: (1)浇注时间的选择决定于铝液在金属型中充型速度,金属型充型速度要比砂型快,充 型过快会引起氧化夹渣,过馒又难以成型,铝铸件在金属型中最小允许速度见表2—3,也可以 按式计算:

式中:t~浇注时间,S; h一铸件高度,cm; D一铝液面上升速度,cm/s。
表2—3铸铝件在金属型中允许的最小速率(crrds)口7]
铸件 高度
mm 100 】50 200 300 350 400 500 550 600 800 1000 1800 2.8 3.4 3.9 4.8 5.2 5.5 6.25 6 5 6.8 7.9 8.75 10.7 2.2 2.7 3.1 3,9 4.17 4.4 5.O 5.2 5.45 6.3 7.0 8.6 1.8 2.2 2.6 32 3 5 3.7 4.】8 4.35 4.55 5.25 5.8 7.2 1.6 1.96 2.25 2.75 3.0 3 15 3.57 3.7 3.9 4.5 5.O 6.15 1.4 1.7 1.97 2.4 2.5 2.75 3.1 3.27 3.4 3.9 4.37 5.36 1.1 1.36 1.53 1.9 2.08 2.2 2.5 2.6 2.7 3.1 5 3.5 4.3 0 9 1.13 1.3 】.4 1.74 1.84 2.1 2.17 2.26 2.6 2 9 3 58 O.8 0.91 1.05 1.28 1.38 1.47 1.67 1.73 】.8 2.1 2.3 2.86 O.55 O.68 0.78 O.96 1.04 1.】 1.25 1.3 】.36 1.57 1.75 2 14 0.44 0.54 O.63 0.77 O.84 0.88 1.0
1 1 4

铸件厚度mm
5 6 7 8 10 12 15 20 25 30

O_37 0.45 0.52 0.64 O.69 0.74 O.83 O.87 O.9


05 09

1.25 1.4 1.71

05

1.17 1.43

(2)阻力系数 铝合金铸件的阻力系数【27】一般为
顶注式选用:O_8~0.95

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中注式选用:O.7~O.80 底注式和缝隙式选用:O.65~O.75 (3)平均压力头(见§2.1.3,但单位得使用cm) 2)浇注系统各单元截面积比例如表2-4所示。 表2-4铸铝合金浇注系统各单元面积比例【27】
截面积尺寸比仞 铸件重量(kg) 有横浇道
<10 (F B:F m:F自)

无横浇道

1:(1.5~2):(1.5~2) 1:(1.5~3):(1.5~3) 1:(2~4):(3~4) 1:(2~4):(3~4)
1:(0.5~1.5)

10~20 20~50 50~80

通过这一节的分析介绍可以看出:铝合金铸件浇注系统的组成、结构、类型;阻流面积 的计算理论模型,相关影响因素的处理方式,各组成部分截面积的计算等。其梳理出了铝合 金铸件浇注系统设计的第一种理论。其设计浇注系统的出发点是对通用方法的引用;并根据 铝合金的特点,对浇道各部分的结构与连接方式作了特别规定。但该设计方法直接应用于发 动机铝缸盖浇注系统的设计尚显得不够。因为其未考虑到:发动机铝缸盖的性能要求与结构 特点;以及建立在此基础上的工艺布置方案。

§2,3基于型腔液面上升速度的铝合金金属型重力铸造浇注系统的设计方法
这一节归纳的设计理论认为:铝液在型腔内的上升速度是铸件质量的决定因素。其上升 速度必须控制在一定的范围。且上升要平稳,并有利于气体能顺利排除,渣子能够顺利上浮。 浇注系统的类型、结构、最小截面积的计算以及各个截面的比例关系都是紧紧围绕这些设计
要点而展开的。

1.对浇注系统的砹汁要求 该法在设计会属璎铸造浇注系统时特别强调注意F而JLL‘J,:金属型浇注速度大,超过砂

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型约20%。其次,在液体金属充型时,型腔罩气体要能顺利排除,其流向应尽可能与液流方 向一致,顺利地将气体挤向冒口或出气冒口;此外,应注意使液体金属在充型时流动平稳 不产生涡流,不冲击型壁或型芯,更不可产生飞溅。 2.浇注系统的类型 金属型的浇注系统一般分为顶注式、底注式和侧注式三类,它们的充型情况及及温度分布 如图2—13,2—14,2-15所示,分述如下

它夔
图2—13顶注式浇铸过程及温度分布 a)充型过程b)金属型温度分布C)凝固情况 1一金属型2-凝固层3-金属液 1.浇口 图2 14底注式充型过程及温度分布 a)充型过程b)金属型温度分布c)凝固情况 2一凝固层3.液体金属

1)顶注式(图2-13)铸件温度分布较合理,有利于顺序凝固,可减少金属液的消耗, 但金属液流动不平稳,易进渣,铸件高时,易冲击型腔底部或型芯。若用于浇注铝合金件, 一般只适用于铸件高度小于100mm的简单件 2)底注式(图2—14),金属液流动较平稳,有利于排气,但温度分布不合理,不利于铸 件顺序凝固: 3)侧注式(图2一15),兼有上述两者的优点,金属液流动平稳,便于集渣,排气等,但 金属液消耗大,浇口清理工作量大。 3.浇注系统的结构 金属型浇注系统的结构与砂型铸造基本相似,但由于金属型壁不透气,导热能力强,因此要 求浇注系统结构,能有利于降低金属液流速、流动平稳,减少其对型壁的冲刷。除应保证型 腔内气体有充裕的时问排除外,还应保证在充型过程中不得产生喷溅。如浇注铝合金,为此

江苏大学丁程硕上学位论文

目的,直浇道可作成如图2—16所示的几种形状

、f三三三、

/。/冬、
;二、芝/,。
<乏/
==)/
●, nj

,:,k--s_.y
.二二=、

一=.三,/

图2—15侧注式充型过程及温度分布 a)充型过程b)金属型温度分布

图2 16直浇道的形式 a)斜弯浇道b)、c)蛇形浇道

1)斜弯浇道如图2—16 a所示, 液流的缓冲作用好,由于b点高于a点,当液流经过 A点时,形成液封区,阻碍气体和比金属液轻的熔渣进入型腔,但是它增大了金属型的体积。 2)蛇形浇道如2—16 b、c所示,由于流路曲折,压头损失大,流速显著降低,对减轻 液流冲击型壁有良好效果,在生产中被广泛采用。 对于垂直分型的金属型,由于分型面限制,多半不设横浇道。为了撇渣,常在上述各种 形状直浇道的下部设置集渣包,如图2
17

a、b、c所示。

浇道的尺寸既要保证铸件质量,又要求金属液耗量和铸件清理工作量最小。要做到这 点,一般可用计算或凭经验确定,然后再经生产验证,就可得比较合理的尺寸。

图2—17带集渣包的浇注系统 a)直浇道b)集渣包c)内浇道

4.浇注系统最小截面积的计算 关于浇注系统最小截面积计算,可以利用砂雪。铸造中的计算公式,由于会属型铸件比砂

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型铸件冷却快,根据经验,浇注时间~般比砂型减少20%~40%,使金属液在型腔内快速上升。 由于浇注的合金不同,浇注系统的尺寸也有区别。这种设计理论确定的铝合金浇注系统的最 小断面尺寸的计算方法,是建立在铝液在型腔内的上升速度必须控制在一定范围内的基础上 的。其推导过程如下: 设金属型的型腔高度为H(cm);浇注时间为t(S);则金属液在型腔中平均上升速度为

u*:旦(cm/s)

(2—14)

经验证明,如果铸件的平均壁厚为b(cm),则u"可由下列经验公式【13】求得

。。:丝


(2一15)



从式(2—14)及(2—15)可求得浇注时间

V升

(2—16) b

式(2—16)中的系数3~4.2,当铸件高度小时,取上限,高度大时,取下限。 浇注系统内的流速v,决定于铸件重量Q(N),金属液的重度Y(N/cm3),浇注时间t(S) 及浇道的最小面积F最小(cm2)。其值可用下式表达:

V-垒 7.r.风小
将式(2-16)代入式(2


(2—17)

7)得

(2—18)

关于v的大小,根据经验,对于镁合金一般不超过130cm/s,铝合金不超过150 cm/s j.浇注系统各截面面积的计算

1281。

确定F。、后,再按比例计算各部分截面积。对铝、镁合金多采用丌放式浇注系统。直、

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横、内浇口总断面积比可参考下列比例【28】 大型铸件(>40kg):Ft:F《:F№=1:(2~4):(3~6) 中型铸件(12—40kg):F A:F#:F^=1:(2~3):(2~4) 小型铸件(<12kg):F目:F#:F m=1:(1.j~3):(1.j~3) 式(2-18)计算出的F"即为直浇口的截面积F。。 内浇口的位置和方向,应能保证金属液不冲击型壁或型芯。内浇口长度一般不超过10~

通过该节的分析介绍可以看出第二种铝合金金属型铸造浇注系统的设计理论:铝合金铸 件浇注系统的组成、结构、类型;阻流面积的计算理论模型,各组成部分截面积的计算等。 这种设计理论的出发点,或者考虑、强调的重点是铝液在型腔内的上升速度必须控制在一定 的范围内;但在其求阻流截面积的公式中未考虑铝液静压头Hs(即浇口杯的液面到横浇道上 部的高度)的作用。这是与第一种铝合金金属型铸造浇注系统的设计理论相比的显著不同之 处。正因为如此,我认为在发动机铝缸盖浇注系统的设计中直接引用其是不合适的。因其把 铝液充型的动力,特别是缸盖类长方体形类铸件中应特别考虑的因素给忽视了。

§2.4本章小结
本章3节中分别对浇注系统设计的方法、理论作了详细的研究分析。它们分别是:浇注 系统的通用设计方法;铝合金金属型重力铸造浇注系统的设计方法I、II。对它们的各自研 究、存在的不足、使用限制条件以及对比分析,得出如下的结论 (1)浇注系统的通用设计方法 其综合应用铸造热加工专业所学的金属学、传热学、造型材料、流体力学、机械设计等 多门学科,提出了浇注系统设计的总体思路:设计的原则;浇注系统的组成、作用、结构、 分类;浇注系统设计的出发点,即根据水力学模型求出阻流截而积,再乘相应比例系数定H{

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横浇道、内浇道截面积;在求阻流截面积的过程中,对各影响因素以系数的方式加到公式中。 其设计思路明确,适用各种材料的铸件,涵盖面宽广,但对特别的铝缸盖浇注系统设计确显 得论述不够,不好直接使用。 (2)基于最小截面法的铝合金金属型重力铸造浇注系统的设计方法 其是针对所有铝合金金属型重力铸造铸件的浇注系统设计方法。其设计浇注系统的出发 点与前述通用方法相同。并根据铝合金的特点,对浇道各部分的结构与连接方式作了特别规 定。但该设计方法直接应用于发动机铝缸盖浇注系统的设计尚显得不够。因其未考虑铝缸盖 的结构及性能要求。 (3)基于型腔液面上升速度的铝合金金属型重力铸造浇注系统的设计方法 该方法是针对铝合金金属型重力铸造浇注系统设计的另外~种方法,但与方法I相比有 显著不同之处:即在其求阻流截面积的公式未考虑铝液静压头Hs(即浇口杯的液面到横浇道 上部的高度)的作用;其设计的出发点,或者考虑、强调的重点是铝液在型腔内的上升速度 必须控制在一定的范围内。正因为如此,在发动机铝缸盖浇注系统的设计中直接引用其是不 合适的。因其把铝液充型的动力,特别是缸盖类长方体形类铸件中应特别考虑的因素给忽视
了。

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第三章汽车发动机铝缸盖金属型重力铸造的浇注系统设计方法 §3.1汽车发动机铝缸盖金属型重力铸造的项注式浇注系统设计方法
本节从发动机铝缸盖的结构特点及性能要求出发,论述了汽车发动机铝缸盖的顶注式工 艺布置方案;铝缸盖的顶注式浇注系统设计理论:设计数学模型、经验公式、以及使用中的 注意事项。 1.工艺布置 根据发动机铝缸盖的结构特点,浇注工艺布置时常将燃烧室面置于底部,凸轮轴面置于 顶部。浇注系统布置时常在进气侧设置浇口杯、直浇道、横浇道、内浇道。铝水进入型腔后 流经的路线呈“U”字形结构,从中间及排气侧上升,中间设置明冒13,排气侧边设置压边 冒13;进气侧的横浇道既起横浇道向内浇道分配铝液的作用,又有压边冒13的作用。辅以燃 烧室底部的通水冷却作用,形成铸件从下而上的顺序凝固。 2.设计模型

典型的顶注式浇注系统设计模型见下图3—1:

图3-1汽午发动机铝缸盖项注浇注系统模型

3.浇注系统设计 浇注系统设计时根据:人部分轿车铝缸盖铸件重1 5kg左右的特点,常将阻流截面ss
设计为卜.图A A剖面所示结构,并且面积为:480~490mm!;按照该阻流面积,然后根据下

江嚣人学T程硕L.学位沦文

列比例关系求出横浇道截面sd及内浇道截面G的面例29]

这说明整个浇注系统设计对内浇道之前是封闭的。 横浇道截面常设计为B—B剖面所示结构。内浇道截面的形状按梯形考虑,其厚度按3~ 4mm考虑。 该节从铝缸盖的结构、工艺布置出发,提出了铝缸盖的项注式浇注系统设计模型,各组 成部分截面积的计算。其是指导该类铸件顶注法浇注系统设计的实用理论。

§3.2汽车发动机铝缸盖金属型重力铸造的底注式浇注系统设计方法
本节从发动机铝缸盖的结构特点及性能要求出发,论述了汽车发动机铝缸盖的底注式工 艺布置方案;铝缸盖的底注式浇注系统设计理论:设计数学模型、公式推导、以及使用中的 注意事项。 1.工艺布置 根据发动机铝缸盖的结构特点,浇注工艺布置时常将燃烧室面置于底部,凸轮轴面置于 顶部(双进气、双排气的缸盖常用该布置方式);也有与此相反的布置。如果采用前一种布置, 浇注系统布置时常将内浇口设在进、排气道口的下部;如果采用后一种布置,浇注系统布置 时常将内浇口设在凸轮轴结合面处。无论采用何种布置,浇注系统设置均为左右两支;在左 右两边均设置浇口杯、直浇道、横浇道、内浇道,但浇口杯是连成一体的。铝水进入型腔后 从中间上升,中间及周边设置明冒口。左、右两边的横浇道下面均设置有水冷却系统,再加 上燃烧室底部的水冷却系统,在二者的双重作用下形成铸件从下而上的顺序凝固。典型的底 注式浇注系统设计见图3—2。 2.底注式浇注系统的设计模型 底注式浇注系统设计模型如图3.2所示。其浇注系统的组成是:浇口杯、直浇道、阻流

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段、阻流段向横浇道过渡段、横浇道、内浇道、缸盖铝铸件型腔。图中及数学推理过程中所 用字母的意义说明如下:

图3-2底注式设计模型

注:so—饶口杯顶部面积(cm2)

vo一浇口杯项部铝液速度(cm/s) sl一浇口杯底部面积(cm2); hl一浇口杯高度cm s2一直浇道底部面积(cm2) h2一浇口杯顶面至直浇道底部高度cm Hs一外模上横浇道的最大高度crn ss一.阻流断面面积(cm2) Vs一阻流断处铝液速度(cm/s); sD一横浇道起始处断面面积(cm2) sF一横浇道尾部断面面积(ClTl2)
H-

刑腔内锅液面至横浇道的高度cm

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r包含浇道、冒口的铸件重量(蚝)
1)理论阻流截面计算方法I 在ss截面处根据流量定义得
(3—1)

式中:Q一流量(m3/S)

vel一速度(m/s) 对so、ss截面,在不考虑沿程阻力损失时,根据贝努利方程㈨得

Hs+o:o+Vel2

Vel=厄而
Q:堕
f D

29

29

(3—2) (3—3)

vol=二_ y

(3—4)

式中:vol一铸件体积(m3) Y一均密度(2700kg/m3)
将式(3-2)、(3-3)、(3 4)代入(3-1)得:

ssteorm2面Q

2万两篇丽2?,104--鬻沁m2一。删

注:在推算过程中Vo、Po均按为零考虑,不考虑Ht的影响以及液流的沿程阻力损失。 2)理论阻流截面计算方法II 对So、Ss截面,根据贝努利方程【ll】得

zo+≥粤吆毫+知。∽s,
在该等式中,若考虑:
Po-0,Vo=0,Zo-Zs=H;,Ps=HT?¥则有:

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V。=托ijF巧万西巧
在Ss截向处根据流量定义得:

(3

7)

ssr剐。=罢


(3-8)

Q=二一

(3 9)

将式(3 7)、(3-9)代入式(3-8)得:

Ss reale:


,+t+4(ns—Hr一日^)}2+g

+lo?:


:!;!!!兰(cm2)
4√Hs—日r—日4

as

reale= t

.!:!!!兰(cm2)
4_H s—H
T—H^

(3—10)

根据试验,浇注缸盖类零件,流经阻流面积前的沿程阻力损失HA为:6.26cm[30];不考 虑H,的影响,即设H,=0时;则上式为:

Ssteorica=!:!!:竺(cmz)
f+√日q一6.26

(3—11)

根据以上的讨论,可以得出计算阻流截面积的理论公式为: 方法1

as

teorica:些


4qH s

方法11

asleorica:!:!!:呈


4√日‘一6.26

3)浇注系统中各组成部分截面积的公式计算法 由公式(3】0)可知:实际阻流面积是随(Hs—HT)变化而变化的,这就是说为了保持 浇注过程中铝液的流量恒定,需要加入一块可变的阻流面积,其值会随(H。一HT)的变化而 变化。但这在实际操作中是不可能的实现的。在实际应用中,采用的方法是:首先根据理论 公式计算出理论阻流面积,然后乘L_一定的比例系数求出实际阳流面积。求出实际阳流面积

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后,根据有关公式,或者乘上一定的经验比例系数求出其它有关截面积。生产上常使用的计 算公式如下表3.∥…: 表3.1
S s曲n∞(cm2) × S。(cm2)

底注式浇注系统各截面积计算公式
SD(cm2) SF(cm2) SD≈1 5 Ss Sl(cm2) 2.3 G(cm2) G=S。?Y 1

o(k∥s)

8.35女Jp

Ss%nca=————i=一

I 5

7~

Ss=x?瓢…

SD≈3.Ss

|*≈H



2 5

汴J等呱

2~I



x一实际阻流面积相对理论阻流面积放大比例系数: Y一实际内浇道截面积相对实际阻流面积放大比例系数; G一实际内浇道总截面积。

其余符号意义见前面定义。 4)研究截面及内浇口截面处流体性质的检验 管道中流体的性质用Reynold数表示。Reynold数用以划分液流的状态。其定义为:液 体的流速、管道的内径(水力半径)之积与运动粘度的比例,数学表达式为:

Nr=型


(3—12)

式中:V——铝液流速(cm/s) Y——铝液的运动粘度(cm2/s),0.0127 d——管道的内径(cm)

嗍?居
式中:S一检验截面的面积(cm2)

∽㈦

p一检验截面被铝液润湿的周长。 根据计算出来的Reynold数,可以按下列规则判断液流所处的状态 (1)当Nr<2000时,浇道中的铝液处于层状流动;
(2)当Nr=2000~20000 H,j,浇道中的铝液处于湍流流动;

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(3)当Nr>20000时,浇道中的铝液处于急湍流流动 液流的各种流动状态见图3-3:

‘‘。。。。。。’—--——----——--------}

当Nr<2000时

当Nr=2000~20000时

当Nr>20000时

图3-3液流的各种流动状态

3.底注式浇注系统设计方法小结 (1)根据铝缸盖毛坯的重量,铝合金液体的流量建议控制在1.2~1.5kg/s范围内: (2)理论设计计算阻流面积时,使用方法I公式计算; (3)计算实际阻流面积时,建议使用理论计算阻流面积乘1.5~2.5的系数来计算,经过 这样调整过的阻流面积更接近铸件的实际浇注状况: (4)横浇道的起始截面积,用实际阻流面积乘3的系数计算;尾部截面积用实际阻流面 积乘1.5的系数计算。用这种方法设计的横浇道,从开始向尾部是逐渐缩小的,其目的是为 了保证各内浇道的压力基本一致。因为随着铝液向尾部的流动,由于受到冷却,铝液粘度会 增加,再加上沿程阻力损失,必然会导致流速下降、压力减少。 (5)横浇道应在最后一个内浇道之后加长一段,加长距离为最后一个内浇道长度的2—3
倍;

(6)内浇道的总截面积,用实际阻流面积乘3的系数计算; (7)使用REYNOLD公式检查铝液流动的状态;特别注意检查阻流截而ss和内浇道截面

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G,其数值前者应小于20,000,后者应小于12,000 (8)在计算浇注系统各截面的面积时可采用EXCEL电f表格自动计算 (91理论公式中未考虑过滤网的影响,过滤网所增加的摩擦阻力损失通过计算截面的相 乘系数来弥补。 该节从铝缸盖的结构、工艺布置出发,提出了铝缸盖的底注式浇注系统设计模型,阻流 面积计算的详细理论推导,各组成部分截面积的计算,使用公式时的注意事项。其是指导该类 铸件底注法浇注系统设计的实用理论。

§3.3本章小结
本章2节中分别对汽车发动机铝缸盖金属型重力铸造浇注系统设计的方法、理论作了详 细的研究分析。它们分别是:汽车发动机铝缸盖金属型重力铸造的顶注式浇注系统设计方法 汽车发动机铝缸盖金属型重力铸造的底注式浇注系统设计方法。对它们的各自研究、存在的 不足、使用限制条件以及对比分析,得出如下的结论 这两种设计方法是在吸取了第二章3种设计理论优点的基础上,克服它们存在的不足, 针对铝合金缸盖,考虑到其结构及性能要求,从生产实践中逐步完善起来的设计方法,都是 实用的。比较它们可以看出:生产铝合金缸盖中使用的顶注式设计方法带有明显的经验特色, 尚未上升到完整的设计规范、标准,更未系统理论化。而底注式设计方法可以说是一个完整 的、系统的铝合金缸盖浇注系统设计规范、标准。经总结、归纳可以上升为一个国际化的设 计标准。可应该承认:生产铝合金缸盖中使用的顶注式设计方法要比底注式设计方法简单得 多,利于铸型充满来说也是好的;但对内在质量,特别是外观质量来说,其明显不如底注式

设计方法。见下图3—4对用两种方法生产的同一铸件的排气面,顶注的明显留有液体流动的
痕迹。

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a)顶注法生产的铸件(气 道与顶部间有液流痕迹)

a)底注法生产的铸件

图3.4顶、底注法生产的铸件比较

江弥大学T程硕{二学位论义

第四章铝缸盖金属型重力铸造底注式浇注系统设计方法的实际应用
前章已总结归纳出汽车发动机铝缸盖底注式浇注系统的设计理论。本章以生产实际中2 个铝缸盖为例,从结构与性能要求出发,安排工艺布置方案,浇注系统的设计及优化,从而 印证前面总结出的底注式浇注系统设计理论的正确性。

§4.1

NJG415汽油发动机铝缸盖金属型重力铸造的底注式浇注系统设计

1.NJG415汽油发动机缸盖的结构特点及性能要求 NJG415汽油发动机缸盖的结构特点是:四缸直列、顶置凸轮轴、进、排气道对称布置。 其上含有进、排气道、油道及水道。其壁厚最小处为3.5mm,最厚处为30mm,变化梯度 大。进、排气道对基准的位置公差为O.5mm;水道对基准的位置公差为0.8mm。水腔在 200~250Kpa压力下作水压试验,在9s内允许泄漏量为2.5cm3/rain;油道在500Kpa压力 下作水压试验,在3s内允许泄漏量为2 cm3/rain;气缸盖回油室在50~100Kpa压力下作水 压试验,允许泄漏量为2.0 cm3/rain。由这些可以看出NJG415发动机缸盖结构复杂,壁厚 变化大,尺寸位置精度要求高,且对气密性有较高要求。
NJG

415发动机缸盖的材料及性能要求是:材料选用德国PTL2003标准中

GKAISl6Cu4Wa。力学性能分为单铸试棒(淬火+人工时效后)及铸件本体取(状态同前)两 种情况,指标要求如下表4.1:
表4-1 抗拉强度 试棒类型
(N/mm。) (N/ram。)

NJG415发动机缸盖力学性能
伸率
(%) 1~3
O.5

屈服强度

硬度 备注
(HB)

单铸试棒 本体取样

240~300
200

200~280
180

90~110 90~110

2.工艺、工装、设备和置方案

根据5力只/年缸盖的牛产纲领,J艺技术方案如下表

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序号


J.装名称 外模 水道道芯盒 油道芯盒 进气道芯盒 排气道芯盒

数量(副)
2 1 1

】装使川设备 FATA浇注机 H25肿30射芯机 H25/H30射芯机 H12射芯机 H12射芯机

J一艺布置 1型1腔 1型1+1腔 1型l+1腔 1型1腔 】型1腔

产量(只/,J、时)
2X8 2X30 2X30 30 30












按照该工艺方案,19小时/每天,248天/每年,设备利用率85%,废品率10%,则年浇 注产量为:16×19×248×O.85×O.9=57674(只),制芯量远远富裕(因要多产品生产),完全 满足设计产量要求。 3.浇注工艺、浇注系统布置 浇铸布置时铸件安装凸轮轴面朝下,气门室面朝上,浇铸模布置及浇注工艺布置,如下 图4?1、图4—2所示。这样布置的好处是:将薄壁部位置于底部,厚大部位置于顶部,且其上 部设有足够大的冒1:3,有利于形成下低上高的温度梯度,从而形成由下往上的顺序凝固,将 渣子、气泡等缺陷赶到冒151内。这种布置对于燃烧室是加工形成的铸件是可行的。
1 2 3

底座 下侧模架(分左、右) 上侧模架(分左、右) 顶模架 上模块 上侧模块(分左、右) 带冒口及砂芯铸件 下侧模块(分左、右) 底模块 冷却水 顶杆 顶芯板

10. 11. 12.

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J.浇道
2.

冒口

3.缸盖铸什

图4-2NJG415缸盖工艺布置

在铸件气门室面设置冒口,采用底注式浇道设计。浇注系统见图4—3。这是一个典型的卧 浇、底注、顺序凝固的布置方案。

澎 萝
[向

Tl HⅫl



。J叉L{.5支{,/

图4-3NJG415缸盖浇注系统

4.浇注系统理论设计与生产实际优化 根据第三章总结出的底注式浇注系统的阻流面积理论计算公式

Ssteorica:些


———-=一 4

L (:3-5) 0 J

0H



将:P-22Kg(NJG415发动机铝缸盖(带浇口)重)
Hs=31.7cm(见图4-3)

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姒公式帐Sst一矿丽8.35.P 2器
X 】5 Ss(cm2) SD(cm2) sr(cm2) Ss=X?S

I=22/1.2-18s(取铝液在型腔内的注入速度为:1.2kg/s)

将以上计算结果代如下表公式,以便求出浇注系统各截面积。
Y G(cm2)

5…。

SD≈3.Ss

s。≈3 s s



G-S。?Y

将计算结果、制模时设计值、修模后设计值填入下表:
理论 项目 计算
P(kg) T(S) Hs(cm)
Ss 4(mm2) X 22 18 3】.7 18】.3 1.5 276.2X2 699.6X2 276.2 699.6 22 18 31.7

制模时 设计
22 18 31.7

修模后 备注 设计

Ss(mm2) Sd(mm2) Sf(mm2) G(mm2)

271.9 815.7

实际值以图中3-3剖截面求得 实际值以图中4-4剖截面求得

815.7 815.7 1.22 l:3:3

699.6X2 670.5X2 1.22 】:2.53:2.43

699.6 670.5 1.22 1:2.53:2.43

实际值以内浇总长乘宽求得

Q(kg/S)
Ss:Sd:G

实际值ss、Sd分别以下列3—3剖截面、4-4剖截面求得

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实际内浇道面积按内浇总长乘宽求得
G=(30+35'2+1 1+2++27)+4.5=670.5(mm2)

内浇道总长及截面见下图:

图4-5内浇道布置及截面

该铸件的浇注系统制模设计时是按底注,进、排气面双侧双浇道进铝水布置设计的。这 种设计对于均匀进铝水、顺畅排气(渣)是有利的。从理论上来说是非常合理的。能够生产 出合格的铸件。是成功的设计。 但经过实验进气面单侧一支浇注系统也能很好地浇注出合格的铸件,又能节约铝水,所 以省去了一支。最后浇注系统就成了:进气面单侧布置,阻流面设置于底部侧模、横浇道设 置于侧模并且是直的等面积结构、内浇口共有6道。且采用开放式浇注系统截面比例关系。 这充分说明一点:好的浇注系统设计不仅是技术上讲是优等可靠的,而且也应该是最经济的。 这对大批量生产的工厂是很有实际意义的。还有值得一提的~点是:在优化设计过程中,虽 将浇注系统由两支改为一支,但各截面的比例关系确保持不变,很好地遵守了设计规范。 5.浇注系统理论设计与生产实际的对比分析 从以上计算结果看出:
11NJG41 5发动机铝缸盖浇注系统设计基本符合铝缸盖底注式浇注系统设计规范。说明所

引用的铝缸盖底注式浇注系统设计理论是『F确的。 (1)Ss理论与实际设计基本相等(分别为:271.9
mm:、276.2 mm2)

江苏人学1二程碗{学位论文

(21 Sd理论与实际设计有一定的偏差(分别为:815.7 11ln22、699,6 film2);实际Sd与ss

的比例系数取了一个较接近3的数2.53。 (3)G理论与实际设计有一。定的偏差(分别为:81 5.7 实际的G与Sd基本相等(分别为:670.5
rnm2、699.6 mm2、699.6

rain2);NNNJc。但

mm2),这说明浇注过程中横浇道能够

充分发挥挡渣作用,且铝水在型腔中的上升速度(1.22kg/s取的是下限值)缓慢,有利于气体排
除。

2)浇注系统设计各个截面设计不够规范,过于复杂。这可能是早期的铝缸盖底注式浇注 系统设计标准尚未完全规范所致。 3)浇注系统设计是成功的,用其已大批量地生产出满足技术要求的合格的铸件,且大批 量地装于PALIO轿车上。 6.生产中的质量难点及其解决方案 1)铸件局部地方易产生冷隔,这是由于该部位壁厚只有:3.5mm造成的。采取的措施是 严格控制浇注温度在:725±5。C;浇口杯内的铝液保持充满状态

2、机械性能中的延伸率在检查中有时达不到要求。主要原因是:取试样部位图纸规定在
燃烧室面、阀座间,而该部位刚好位于冒口下面,所取试样有时带有气(渣)孔缺陷是难以 避免的。针对该问题,采取的措施是:保证铝液除气干净;保证冒口高度足够高(取铝液量)。

§4.2

372(QQ轿车)汽油发动机铝缸盖的底注式浇注系统设计

1.372汽油发动机铝缸盖的结构特点及性能要求 1)铸件的结构特点 燃烧室双进气、双排气;燃烧室不加工,对铸造缺陷,特别是落砂类缺陷要求严格;燃 烧室的容积要求为:34.5士0.15cc,最大容积与最小容积之差为:O.25cc,这对生产中的喷涂料 要求特别高。顶置双凸轮柿胃。铸件结构复杂,特别是水道结构,其厚度变化为:从3mm~

江蒜人学T程坝I‘学位论文

40mm。铸件壁厚最小处只有3ram,这对铸造工艺参数的拟定、铸造工艺设计,特别是浇注 系统的设计提出了较高的要求。 2)材料及机械性能要求 材料:Si6Cu4T6。抗拉强度o b:】80~220N/mm2(单铸试样)。硬度:95~】]5HB 2.铸件质量 1)总体可接受的铸造缺陷 铸件应清理干净,毛刺飞边应符合图样规定,非加工表面浇冒口应清理和铸件表面平齐。铸 件表面不允许有冷隔、裂缩孔和穿透性缺陷及严重的残缺类缺陷(如欠铸、机械损伤等)。铸件 待加工表面允许有经过加工可去掉的任何缺陷,s J、s2加4mm标准样块后与s3粗基准构成的 平面度应小于等于0.2。铸件非加工表面允许有铸型分型错箱,顶杆及排气塞等凸出痕迹,但凸 出表面不得超过lmm或凹下表面不得超过0.5mm.。对于非加工表面,最大直径小于lmm 加工后表面最大直径小于O.5mm,深度小于0.5mm,且在对应的背面没有缩孔、气孔等铸造 缺陷的,单个孔洞不作铸造缺陷。铸件非加工面粗糙度为Ra20。 2)特别区域的铸造缺陷规定 (1)燃烧室内表面:机加工后在距火花塞孔、进、排气门座圈外2mm区域内不允许有 任何缺陷。在其他区域允许缺陷范围:每个燃烧室:深度×直径: 处,任意两缺陷之间最小距离4ram。 (2)与缸体结合面:在燃烧室及水道口边缘3mm区域内不允许有任何缺陷。在其它部位 允许缺陷范围:深度X直径:1.0mm×qb2.0mm,每平方厘米允许缺陷数量1处,任意两缺陷 之阳J最小距离30mm。 (3)进、排气结合面:进、排气道口、g{水口3mm内不允许有任何缺陷。其它区域允许 缺陷(仅限于气孔)范围:深度×直径:1.0mm×qb3.0mm,数量少于8处,任意两缺陷之问 0.5mmXqblmm,允许4

江苏夫学_T程坝}‘学位论文

最小距离30mm。 (4)挺杆孔:挺杆孔中部10mm范围内不允许有任何缺陷。 其它区域机加工后挺杆孔内

允许缺陷范围:深度×直径O.8mmXdPl.5mm,每个挺杆孑L内允许缺陷数量1,一个缸盖上 】2个挺杆孔内允许缺陷总量不得超过6个。 (5)凸轮轴支撑面:凸轮轴支撑面最大允许砂眼尺寸:深度×直径1.0mmX 1.0mm,每 个支柱允许缺陷数量1,任意两缺陷之间最小间距2mm,缺陷到支柱外部边缘最小距离2mm。 (6)油封孔:允许砂眼尺寸:距两端面为lmm,深度X直径:1.0mm×qbl.0mm的缺陷允 许2个。 (7)火花塞孔密封面:每个柱面孔允许有2个深度×直径:lmmx中1.5mm孔洞。每个端 部密封面允许有1个深度×直径:O.5mmXdPlnun孔洞。 (8)任一加工面上3级针孔的面积达受检面积25%以上,或针孔级别大于3级以上的 (GB/T1173规定)不能接受。分型面错位、面轮廓度lmm以上的,粗基准处未修净毛刺飞边的 不能接受。 3.气压试验 铸件应进行气压试验,试验压力为200KPa注入时间为5s,试验气体压力为140 KPa,试验时间为10 S,气道压力下降一<20KPa,水道压力下降、<20KPa。 4.工艺、工装、设备布置方案 根据5万只/年缸盖的生产纲领,工艺技术方案如下标:
序号
1 2 3


工装名称 外模 水道+油道芯盒 冒口芯盒 进气道芯盒

数量(副)
2 1 1

工装使用设备 FATA浇注机 H25/H30射芯机 H25/H30射芯机 H12射芯机

工艺布置 1腔/每型 1+1腔/每型 1+1腔,每型 1腔/每型

产量(只/d,时)
2X8 2X30 2X30 30



江芽大学T程硕}j学位论义

按照该工艺方案,19小时/每天,248天/每年,设备利用率85%,废品率10%,则年浇注 产量为:16×19X248×0.85×0.9=57674(只),制芯量远远富裕(吲要多产品生产),完全满 足设计产量要求。 5.浇注系统布置 设计时考虑372铝缸盖铸件燃烧室不加工的特点,浇注工艺布置时将燃烧室面置于底部, 凸轮轴面置于顶部,其上置有冒口。浇注系统布置时将内浇口设在进、排气道口的下部;浇 注系统设置为左右两支等同设计;在左右两边均设置浇口杯、直浇道、横浇道、内浇道,但 浇ISI杯是连成一体的。为了保证铸件实现由下到上的顺序凝固,底座上设有冷却水道,连续 通水冷却(保证底座温度永远低于上部);横浇道下设有冷却水道,在浇注一结束立即开启 该冷却水以便切断内浇道向型腔供应铝水(注:切断内浇道向型腔供应铝水的方法也可以用 横、内浇道刷不同厚度涂料的方法),并先于铸件凝固;在燃烧室下设有冷却水道,在浇注 一结束后los钟开启该冷却水以便实“*件由下而上的顺序凝固,浇注系统布置见下图:

劁4-6 372缸盖浇注布簧 带W【J铸件2.侧模块3.伸J旗架4底模块5燃烧宅模块6冷却水7顼柑8底模架9顶芯板

江苏人学工程硕I.学位论文

图4.7 372缸盖浇注系统布置

幽4—8 372缸盖进气面浇注系统布苴

江茹、人学_丁程硕J:学位论殳

图4-9 372缸盖排气面浇注系统布置

6.浇注系统理论设计与生产实际优化 根据第二章总结出的浇注系统的阻流面积理论计算公式

Ssteorica=氅(3—5)


4≈H



将:P=18Kg(372发动机铝缸盖(带浇口)重)
Hs=29crn(见图4-8) t=18/1.2=15s(取铝液在型腔内的注入速度为:1.2kg/s)

代入公式中得:Ssteorica--墨笔竺:墨型:1.861(cm2):186.1(ram2)


40H



15}429

将以上计算结果代入如下表公式,以便求出浇注系统各截面积。
X 2 Ss(cna2)

SD(cm2) sD≈3,S;

SF(cm2)

G(cm2) G=S。?Y

S,=X?s,琳n。

sD≈】5.S;

将计算结果、制模时设计值、修模后设计值填入下表:
项目
P(kg) T(S)

理论没计计算
18 5

制造模具时|殳计
18


修模后设计
1 5


备注







江苏犬学丁程硕1。学侥论殳

HS(cm) Ss*(rnm2)

29 186 2

29

29



实际值以图中
Ss(mm2)
372 366.7 366.7

d(o)一d(o)音lJ截面求得 实际值以图中q(0一
Sd(mm2) ¨】6 926.35 926.35

q(r)音lJ截面求得 实际值以图中
Sf(mm2) 558 375.62 375.62

e(p)-e(p)剖截面求得 制模值以G剖截面乘
G(mmz)
1116 552 774.48

6求得 Q(kg/S)
Ss:Sd:StG 1.2 1:3:1.5:3 1.2 1:2.5:1:1.5 1 l:2.5:1:2.1

实际值ss、sd、Sf、G分别以以下d(o)一d(o)剖截面、q(r)一q(r)剖截面、e(p)一e(p)N截面、G 剖截面求得:

d(o)-d(o)剖截面 面积:1
83 35ram2

q(r)-q(r)☆lj截面 面积:463
1 75ram2

e(p)一e(p)}lj截面
面积:】87 812mm2 4—10

G剖截面

面积:6y92mm2=552mm2

372缸盖浇注系统各截面

江苏人学工程硕f‘学位论文

修模后内浇道在进、排气面的布置及内浇道截而积状况见下图

④。
k—L~

菠|ii{
4-1】372缸盖进气面修模后内浇口布置 进气面内浇口(面积394
56nn2)



\_一

内浇口 / f \

—N

形曰鳓 肝 嘲 谶 当。酬● ‘啡毕1①b TI


h胱

hb—q ]川俐
01



(D







I韵1]f




j’7

f鼢~ 卅I

d.19'199舸姜牲茸而修艚后内海17布罟 排气面内浇口
(面积379
92nno)

内浇口1(共3处)
:面积1 06.64mm。) 面积74.64 ram2)

4.1



372缸盖进气面修模斤内浇F3截面
(面积394 56ram2)

江苏大学T程硕士学位论文

3三

下一r——一一—可
、一
内浇口1(共3处) (面积126.641lI】ra2)
4.14

\、卜一——卜一






\n

K j

372缸盖排气面修模后内浇口截面
(面积37 9.92mm2)

该铸件的浇注系统制模设计时是按底注,进、排气面双侧双浇道进铝水布置设计的。这 种设计对于均匀进铝水、顺畅排气(渣)是有利的。对Ss:G值,理论设计值、制模设计值、 修模后实际值分别为:1:3、1:1.5、1:2.1;反应在实际生产中按制模设计状态的浇注系统进行 生产,浇注铸件是完整的,但进、排气面的气(渣)孔多(见图4—15),导致铸件30—40%的 报废。经分析发现是由于浇注过程中铝液充入型腔的速度过快带入的气体多,生成的氧化渣 多造成的。经修模改进了进、排气面内浇口面积后使G:Ss=Y=2.1(落入铝缸盖底注式浇注系

统设计规范2~3之间),前述进、排气面的气(渣)孔缺陷基本得以消除(见图4—16)。且
铝水在型腔中的上升速度由1.22kg]s下降为lkg/s,流动更缓慢,有利于气体排除。之所以采 用上述设计制模,当初主要是考虑到该缸盖局部地方壁厚太薄(最小处只有:3ram)而采取 的一个措施,谁知实得其反。这从反面证明设计时遵守铝缸盖底注式浇注系统设计规范是相 当重要的。但也印证了一点,理论设计与生产实际总是存在着差异的,优化改进是必须的。 改进增加Ss:G值的方法主要有两种:一是在保证铸件不产生冷隔的前提下减少Ss截面 积是最有效的,可以说有立竿见影的效果。二是增加内浇口的截面积;在实际操作过程中可 能会受到铝缸盖结构的限制;本次调整增加ss:G值使用的就是第二种方法;经实践效果良 好。

江苏人学T程硕i:学位论殳

图4.】5

图4—16

7.浇注系统理论设计与生产实际的对比分析 从以上计算结果看出:
11 372发动机铝缸盖浇注系统设计经修模后基本符合铝缸盖底注式浇注系统设计规范。

再次证明所引用的铝缸盖底注式浇注系统设计理论是正确的。 (1)Ss理论与实际设计基本相等(分别为:372 mm2、366.7 mm2) (2)Sd理论与实际设计有一定的偏差(分别为:1116 mm2、926.35 mm2);实际Sd与ss 的比例系数取了一个较接近3的数2.5。 (3)G理论与制模设计值、修模后实际值有一定的偏差(分别为:1116 mm2、552
774.48 mm2、

mm2);Ss:G值对理论与制模设计值、修模后实际值之比分别为:1:3、1:1.5、1:2.1

实际状况与理论值基本靠近,但偏下限。 2)浇注系统各个截面设计规范,是铝缸盖底注式浇注系统设计规范的较好体现。 3)浇注系统设计是成功的,已取得了客户的大批量生产许可认证。用其生产的合格的铸 件,已批量地装于QQ轿车上。

§4.3

NJG415发动机铝缸盖与372发动机铝缸盖工艺技术对比

1.相同点

1)浇注系统设计都采用底注方式。 2)都采用卧浇、底注、由下到上顺序凝固方式。

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3)都采用热芯工艺。 4)所使用材料均为:Si6Cu4T6
2.不同点

1)NJG415发动机铝缸盖浇注工艺布置燃烧室面朝上、凸轮轴面向下,而372发动机铝 缸盖则与其相反。 2)由于第一条布置上的差异,导致372发动机铝缸盖必须使用一个大的冒口芯(重约 14kg)成型凸轮轴面,增加了生产成本。 3)由于第一条布置上的差异,导致372发动机铝缸盖燃烧室面切取试棒的性能优于 NJG415发动机铝缸盖。 4)顶模排气372发动机铝缸盖浇注工艺布置好于NJG41 5发动机铝缸盖。

§4.4小结
本章以生产中NJG415发动机铝缸盖、372发动机铝缸盖的浇注系统设计为例论述了底 注式浇注系统设计的过程、优化、理论与实践的对比分析。得出了底注式浇注系统设计的思 路: (1)对发动机铝缸盖进行结构与性能要求分析 (2)根据上条的要求拟定工艺布置方案;工艺措施 (3)进行底注式浇注系统设计的理论计算、以及设计优化;也就是生产实际如何逐步向理 论设计逼近的过程。 (4)进行理论与生产实际的对比分析,从中得出一些注意事项。 进行以上几个方面的分析论证可以得出发动机铝缸盖的底注式浇注系统设计理论是J下确 的、实用的。

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第五章铝缸盖底注式浇注系统设计方法的3一D模型建立
本节介绍了Pro/E 3-D软件,及用其建立3.D模型的过程、方式。用实际例子论述了市 场上用得最多的排量为1.5L~2.0L,16V的发动机铝缸盖铸件底浇注式浇注系统的3一D模型 的建立思路。其3一D模型的建立过程如下

根据铝缸盖铸件结构分 析,确定浇注系统布置。

铸件重量、浇注时间、浇 注系统高度估计计算

用excel表格及相关比 例关系计算浇注系统 各部位截面面积

用Pro/E 3-D软件建 立浇注系统模型

生产试浇,修改、校 对浇注系统模型

保存为另一文件,根据另一产品的计算结果修改浇 注系统阻流及各截面,则可自动更新3.D模型。

§5.1

Pro/E3-D软件介绍【31】p2】f33

建立3.D模型所使用的软件是Pro/E。Pro/E是一套功能强大的三维建模软件,它支持并 行开发,在三维CAD领域广受关注。它之所以受欢迎,自有其独特之处。其主要特点如下 1.基于特征的建模方式 所谓“基于特征”是指用户可以通过定义特征来创建零件,这些特征包括:隆起(protrusion 又称拉伸)、扫描(sweep)、切削(cut)、打孔(hole)、沟槽(slot)和圆角(round)等。下 图5.1所示旋钮由5个特征构成,分别是根据隆起特征生成的圆筒、切削特征、沟槽特征阵 列、倒角特征和圆角特征。

图5-1旋钮

总的来说,使用特征的好处主要有如下几点: (1)特征取代了低层的几何图形,如线、弧和圆等。这意味着设计者可以把计算机作为 个高层设计平台,而不必考虑Pro/E使用的几何图形细节。 (2)用户可以方便地隐藏和改变特征参数,从而快速地修改图形。例如,下图5.2显示了 隐藏开关槽阵列特征和修改开关槽特征尺寸后的旋钮。

图5-2旋钮

2.参数化设计思想 所谓参数化设计是指零件和装配件的物理形状由特征属性值(主要尺寸)来驱动,用户 可以随时特征尺寸或其它属性。此外也可以将一个特征属性与另一个特征属性相关联。例如 在下图中,为了确保孔始终位于模块的中心,可为该零件创建两个关系式

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图5-3尺寸驱动模块
d2=dl/2

d3=d4/2

这样,就可以将孔的位置尺寸用数学公式与模块的尺寸相关连。当模块的尺寸改变时, 孔的位置将自动重新定位。 3.父/子关系 在Pro/E中,父/子关系(parent/child relation)是基于特征建模的一个重要方面。例如 下图所示为一个圆角长方体,它由两个特征生成,一个是实体隆起特征,一个是圆角特征, 其中实体隆起特征为父特征,圆角特征为子特征。当用户修改基本长方体(父特征)的尺寸 时,圆角子特征被相应修改,如下图所示。

量誉

H 5-4父子关系模块

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通常情况下,改变父特征都将影响子特征。删除父特征将导致创建子特征的一个或多个参考 条件被删除,因此,删除父特征将删除父特征的所有子特征。例如,删除上图中基本长方体 特征,圆角特征将被自动删除。 4.单一数据库支持与全相关性 传统的三维CAD建模系统是建立在多个数据库基础上的,每个模块都有自己的数据库, 而Pro/E是建立在单一数据库基础上的大型三维CAD软件,它包含了众多模块。这些模块可 分为两类:一类为基本模块,如零件编辑模块、草绘模块、工程图绘图模块、简单装配图绘 图模块;一类为为扩展模块,如电缆布线功能模块Pro/CABLING、参数化组装管理模块 Pro/ASSEMBLY、板金造型和组装模块Pro/SHEETMETAL等。尽管Pro/E由众多模块组成, 但它却建立在一个单一的数据库之上。所谓单一数据库,就是指工程中的全部数据都来自一 个数据库。在整个设计过程中,任何一处发生改动,都可以反应在整个设计过程的相关环节 上,此种功能称为全相关性。例如,一旦改变了工程图,NC(数控)工具路径将会自动更新 如变更了装配图,这种修改将完全反应在零件图中。因此,这种独特的数据结构使系统的各 个模块达到数据的共享与融合,提高了系统的执行效率,使产品能更好、更快地推向市场, 价格也更便宜。 5.行为建模技术 行为建模技术是一种智能型的建模技术,应用这种技术可以在产品设计过程中,综合考 虑产品所要求的功能行为、设计背景和几何图形,它采用知识捕捉和迭代求解的智能化方法, 使用户对于不断变化的要求,追求高度创新的、能满足行为和完善性要求的设计。行为建模 技术的强大功能主要体现在3个方面,即智能模型、目标驱动式设计工具和一个开放式可扩 展环境。‘

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§5.2铝缸盖底注式浇注系统3-11)模型的建立
1.条件假设 设计模型以市场上用得最多的排量为1.5L~2.OL,】6V的发动机铝缸盖铸件浇注系统的 典型设计布置为依据:浇注工艺布置时将燃烧室面置于底部,凸轮轴面置于顶部。浇注系统 布置时将内浇口设在进、排气道口的下部;浇注系统设置为左右两支等同设计;在左右两边 均设置浇口杯、直浇道、横浇道、内浇道,但浇口杯是连成一体的。 设己知下列参数
序号


项目

参数
31

备注 含浇注系统及冒口重(其重按与铸件毛 坯等重考虑)

铸件重量P(kg)

2 3

浇注时间t(S) 直浇道高度Hs(cm) 浇口杯高度hl(cm) 直浇道有效高度h2(cm) 阻流比率系数x 横浇道起始面积放大系数XI 横浇道末端面积放大系数X2 内浇道截面积放大系数Y 铸型内铝液上升速度检验(kg/s)

24 30 11 27.5 2.5 3 1.5 3

生产中常按毛坯重的1.5倍考虑 从浇口杯顶部到横浇道末端底部高 从浇口杯顶部到底部距离 从浇口杯顶部到横浇道顼部高 实际阻流面积与理论阻流面积之比



5 6 7 8 9 】O

1.2~1.6

2.理论计算 根据以上假设条件,根据公式(3 5)得

Ssteorica:-型:巡=1.969(cm2):196.9(mm2) 而一丽
…’
根据该计算结果及以E假设条件,应用EXCEL电子表格,则可求的相应的未知量Ss、sd、
Sf、G:

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输入数据
P 3l


输出数据
Hs 30 h1
11

b2 27 5

X 2 5

X1 3

X2 1.5

Y 3

Ssstelyi 196.9



Ss 490

Sd 1480

Sf 740

G 1480

Sl 809.2

S2 511 78




24

29

注:上表所给出的截面积为总截面积,即左、右两只相应截面积的和。 3.3.D造型 设计布置时:内浇道放在底模,但布置在横浇道上部,按三道引入,用到截面为G1、
G2、

G3;3-D特征造型用protrusion,即用定义特征截面形状及深度的方法造型。横浇道及

其过渡段放在底模,用到截面为Sf、Sd、Sg、Si,3-D特征造型用swept blend,,即用定义特 征中一tl,的轨迹及相应特征点截面形状的方法造型。阻流段、阻流向直浇道过渡段、直浇道段 放在侧模,用到截面为Ss、S1、S2,3一D特征造型用sweptblend。浇口杯按部分至于侧模、 部分至于顶模布置,用到截面为s2、St0、St,3-D特征造型用blend parallel,即用同一坐标 系定义相关特征点的截面形状及相互间的距离的方法造型。 所用到的截面设计如下:

S-l 97.2m—
L-1

5-2 37。2_z
L-l

06.7mm

26.7_m

G3

S-297.2ram‘

L-I,6.7ram

图5.5内浇道截面

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Sf

Sd

L=ll 0.3row

图5-6横浇道

Ss

Ss

Sl

S=241.2巾苷
L=65.3田刀

S=4D2,2m2 L=9 3,3“

St 0

五i厅忑_…一一
i—T 6 0 r响

5-8浇Lj杯截面

67

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根据以上假设条件建立的数学模型如下图5-9

5-9浇注系统3.D模型

4.使用3一D模型时的注意事项 对使用以上模型时的几点说明: (1)内浇道的倒角按R2考虑;横浇道、直浇道的倒角按R3~R5考虑;浇口杯的倒角按 R5~R10考虑。 (2)内浇道的数量可以根据实际需要作调整。但每一个的厚度最好都按4mm考虑。 (3)实际使用中只要根据计算结果,调整各个截面尺寸就可以调整为所需要的3一D模型。 具体地说就是将该模型另存为另一个文件,再用edit或redefine命令重新定义各个截面尺寸 就可以调整为所需要的3.D模型。

§5.3小结
本章首先介绍了Pro/E3.D软件的建模思想,然后以市场上用得最多的排量为1.5L~

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2,OL,16V的发动机铝缸盖铸件浇注系统的典型设计布置为模型,建立出了底注式浇注系统 的设计模板;以及应用该模型时的注意事项。目的就是:建立出适用于企业的底注式浇注系 统3一D设计标准。

江苏大学工程硕f学位论文

第六章总结与展望
目前在国外,铝合金缸盖的金属型重力铸造]:艺,浇铸系统的设计应用研究有一定的突 破,有比较完整的理论研究与生产实践的优化。而国内这方面的研究理论上尚未形成完整的 体系,实践经验的优化更是欠缺。本文正是建立在此需要的基础上而展开研究的,主要完成 的内容如下: (1)在研究分析适用于各种合金的浇注系统设计的通用方法,铝合金浇注系统的通用设 计方法的基础上,提出了铝合金缸盖浇注系统的顶、底注设计方法。总结出铝合金缸盖浇注 系统的设计理论。 (2)以生产中的两个实际应用例子分析说明如何应用铝合金缸盖浇注系统的底注设计方 法,及在生产实践中应如何优化设计,提高产品质量。 (3)探讨了用Pro/E软件建立铝合金缸盖浇注系统底注设计的3一D数学模型中的一些问 题。 通过以上几个方面的研究得出下列一些初步的看法: (1)金属型重力铸造方法生产发动机铝合金缸盖,浇注系统采用顶注设计方法,或底注 设计方法均能生产出合格的铸件;但采用底注设计方法产生夹气(渣)的可能性要小得多 更有利于保证铸件的内在质量。采用顶注设计方法要简单得多。 (2)金属型重力铸造方法生产发动机铝合金缸盖,浇注系统采用顶注设计方法时要遵守 阻流截面积:横浇道截面积:内浇道截面积=Ss:Sd:G=I:(15~2):(08~O.9)是极其重要的, 特别是:Ss:G=I:f 08~O.9),以保证横浇道尽快充满,发挥挡渣作用,减少或者避免铸件产 生夹气(渣)。 (3)金属型重力铸造方法生产发动机铝合会缸盖,浇注系统采用底注设计方法时要遵守 理论阻流截面积:阻流截面积=Ss。:Ss=l:(1.5~2 5);阻流截而积:横浇道截面积:内浇

江苏人学工程硕。二学位论文

道截面积=ss:Sd:G=I:3:(2--3):Sd>Sf>Ss;特别是:G:Ss>2必须得遵守,其是控制 铝液进入型腔缓急的丌关。进而保证减少或者避免铸件产生央气(渣)的最重要的一个环节。 (4)金属型重力铸造方法生产发动机铝合金缸盖,浇注系统采用顶注设计方法,或者采 用底注设计方法,阻流处的截面积均应做成可以调整的。这对方便工艺调整是极其重要的。 f5)对于一个高投入开发费(每开发一个4缸16V的铝合金缸盖铸件投资约为150~1 80 万人民币)的发动机铝合金缸盖铸造生产企业,建立自己的设计规范、标准,浇注系统3.D 设计数学模型是必须的,而且也是有益的,因其可以避免多次进行工艺调整,以及多次发生 修模费用。 本文对金属型重力铸造方法生产发动机铝合金缸盖浇注系统的设计理论与生产实践作了

比较全面、系统的分析、归纳、总结,得出了一些较为全面的结论。但为了更好地指导生产
实践,下一步的工作重点应该进行下列几个方面的研究: (1)根据不同系列的发动机铝缸盖,建立具有统计意义的浇注系统设计模型库。这样对于 方便设计、降低设计风险、减少试模修模次数是非常有益的。 (2)进行热态下铝合金缸盖的充型、凝固研究,建立相应的数学分析模型,对于短期内提 高产品质量是非常有意义的。

2006.4.6同于南京

江苏火学工程硕士学位论文

致谢
本文是在导师袁国定教授和杨伟震研究员高工的精心指导下完成的。在本文的每一个阶 段,倾注了导师们的大量心血。在整个论文从立题、写作题纲拟定、撰写过程中,袁老师渊 博的学识、严谨的治学风范、平易近人的工作作风,给学生留下了深刻的印象,并将使学生 终生受益。杨伟震研究员高工具有丰富的实际工作经验,领军操刀过大的铸造工程项目,主 持过IvECO发动机毛坯、PALIO轿车发动机毛坯的国产化工作,自我开发、自学能力极强, 对铸造行业的最新科研进展非常熟悉和关注;加上其良好的英语口语,与各国铸造专家进行 畅通的交流,时时掌握行业动态和热点。多年来对我工作、学习的影响是相当大的。再加上 这次论文对我的指导,使我感到帮助很大。在此,谨向两位导师致以衷心的感谢和敬意。 在平时的工作中,铝合金缸盖铸造工艺的调整,特别是浇注系统的设计以及调整方面得 到了外方技术专家Cavaliere、Santore、Roda、Biasiol等的指导与帮助,一次又一次地成功解 决了生产中的实际问题,使我感触颇深,并留下了深刻的印象。这些对于我顺利地完成这篇 论文起到了很大的作用。在此,向他们表示感谢。 在这篇文章写作过程中,特别是图片的处理过程中,曾得到我的同事:冯长华、李宁、 崔杰、王海瑞等的帮助。

江苏夫学£程碗:}:学位论文

主要参考文献
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