Современные методы получения головок и блоков цилиндров автодвигателей в пакетных формах из стержней

В мировой практике отливки автомобильных деталей получают:

• классической песчано-глинистой формовкой с простановкой предварительно
собранных стержневых блоков .

• методом литья с использованием электромагнитных насосов или литьем под
низким давлением в песчано-глинистых формах (из Ал-сплавов) .

• методом литья с использованием электромагнитных насосов или литьем под
низким давлением в стержневых пакетах (из Ал-сплавов) .

• на машинах для литья под низким давлением с применением стержневых
блоков для оформления внутренних полостей отливок (из Ал-сплавов) .

• на машинах для литья под высоким давлением (из Ал-сплавов) .

• методом литья в кокиль с применением стержневых блоков для оформления
внутренних полостей отливки (из Ал-сплавов) .

• по выжигаемым моделям.

Основные критерии, определяющие выбор конкретной технологии:

• комплекс требований к качеству и внешнему виду отливки, а также к раз­мерной точности отливки .

• производительность производственного участка .

• совместимость рассматриваемой технологии с уже существующими техно­логиями в литейном цехе (учитывая совместимость потоков и расходных материалов) .

• объем начальных инвестиций для реализации технологии .

• компактность необходимого парка оборудования для реализации техноло­гии .

• оптимальный для конкретного техпроцесса уровень автоматизации .

• экономические и экологические аспекты.

Отличительной особенностью технологий изготовления отливок для блоков двигателей из алюминиевых сплавов (за исключением метода их получения на основе выжигаемых моделей) — применение стержней для оформления внутренних рабочих поверхностях.

Технологические решения расходятся по способу оформления внешней поверх­ности отливки — стержнями, песчано-глинистой формой, металлической формой, а также способом заливки при различных значениях давления расплава во время запол­нения формы.

Особый интерес для специалистов представляет так называемый Cosworth-процесс, при котором отливки получают литьем под низким давлением в стержневых пакетах.

5.12.1. Производство V- образных двигателей по методу Cosworth на заводе фир­мы Ford Motors (г. Виндзор, Канада).

Впервые процесс литья блоков автомобильных двигателей из алюминиевого спла­ва в пакетах из песчаных стержней появился в 1988 году и получил развитие на Виндзорском алюминиевом заводе компании Форд-Моторс, США. Первые отливки блоков были получены в августе 1992 года. Необходимость нового процесса была вызвана требования­ми снижения массы автомобиля, экономии расхода топлива, повышения качества, дик­туемых жесткой конкурентной борьбой автомобильных концернов.

Процесс литья в стержнях был принят из-за его мобильности, меньших затрат на изготовление литейной оснастки и высокой ее стойкости, высокой точности формы при изготовлении стержней в ненагреваемой оснастке, несложно решаемых вопросов автома­тизации, промышленной экологичности и высокой производительности. Заполнение формы расплавом предусматривалось по методу литья под низким давлением снизу фор­мы вверх посредством специального металлопровода из раздаточной печи. Этот метод литья в 70-х годах был применен фирмой «Cosworth, Ltd.» в Англии для литья отдельных корпусных отливок из алюминиевого сплава для гоночных автомобилей. Стержни изго­тавливались из циркона с фурановой смолой. Заполнение форм алюминиевым сплавом производилось при помощи электромагнитного насоса. На Виндзорском алюминиевом заводе процесс литья блоков в пакетах из стержней с заливкой форм под низким давлени­ем получил название Cosworth-процесса. На производство по этому процессу были пере­ведены блоки автомобильных двигателей 2,5 — 3,0 литра, V-6.

• более высокая размерная точность всех поверхностей в литом состоянии .

• возможность формирования стержневой оболочки толщиной 35…45 мм
для уменьшения объема стержневой смеси, необходимой для оформления наружной
поверхности отливки (по сравнению с сырой формовочной смесью меньше в 10 раз) .

• применение всего одного типа холодно твердеющей стержневой смеси на ор­ганической основе, которую можно эффективно регенерировать, а регенерированный
песок — повторно применять (доля усвоения регенерата из отработанной стержневой
смеси типа Cold-Box-Amin на заводах Ford в Канаде и на заводах Audi в Великобрита­нии — выше 97%).

Некоторые автомобильные концерны еще применяют процесс Shell(Craning) для получения стержней ответственного назначения в блоках двигателей из алюминия. На­пример, стержень масляного канала 4-х цилиндрового рядного блока (длина стержня 350мм, толщина стенки — 8…22 мм) можно изготовить по процессу Shell(Croning). Но для такого технологического решения потребуется высокое качество применяемых песков и связующих.

Основные технологические особенности процесса Shell(Croning):

• мелкая зернистость сухого, плакированного смолой песка .

• совместимость с противопригарными красками на водной или спиртовой ос­нове .

• достаточная размерная точность (если во время получения стержня в горячих
ящиках не происходит коробление в начальной фазе отверждения),

• неплохая выбиваемость.
Недостатки процесса:

• стержни получают в подогреваемой оснастке (дополнительный расход энергии) .

• низкая начальная прочность, которая определяется особенностями процесса от­верждения (начальная прочность после выемки стержней из ящика — всего 30% от конеч­ной прочности после 24 часов . для сравнения — начальная прочность стержней по процессу Cold-Box-Amin — 70…80%) .

• низкая производительность (необходимость иметь достаточно высокую началь­ную прочность требует увеличение прогрева стержней в ящике до выемки) .

• высокое общее содержание связующих (2,4…2,6 %, а общая доля связующего
по процессу Cold-Box-Amin — 0.6…0.9 %) .

• из-за неравномерного прогревания стержня неизбежно образование градиента
прочности по его сечению.

Тенденции развития литейной химии показывают, что процесс Shell (Croning) в на­стоящее время уже находится на пределе своих технологических возможностей.

И наоборот, увеличиваются разработки химических компаний в направлении раз­новидностей процесса Cold-Box-Amin. Ведущие производители связующих уже предла­гают усовершенствованные системы, которые имеют следующие особенности:

• более высокую начальную прочность при общем содержании связующего, зна­чительно ниже 0,9 % .

• более низкую прилипаемость стержней к модельной оснастке (увеличение ин­тервалов нанесения разделительного состава до 30%) .

• улучшенную выбиваемость из отливки .

• более низкое выделение вредных газов (при Cold-Box-Amin: примерно на 30%
меньше амина во время получения стержней, а также на 20% меньше бензола и толуола и
на 50% меньше ксилола во время заливки) .

5.12.2. Технология последующей обработки и сборки стержней в пакет. Съем и очистка заусенцев. Высокую производительность при изготовлении стержней на ав­томате обеспечивает малая продолжительность производственного цикла (не более од­ной минуты). Стержни снимают вручную, манипуляторами или роботами.

Заусенцы устраняются на всех стержнях, оформляющих внутренние каналы систем масляной системы и системы водяного охлаждения. Самый производительный способ уст­ранения заусенцев — съем роботом и контактная очистка протиранием гибкой матрицей. Такое технологическое решение дает возможность произвести очистку в ограниченном пространстве, используя возможности быстродействия и точности позиционирования робота. Если отверстия на стержнях несложные, заусенцы устраняют щетками или це­почными устройствами.

Окрашивание:

Для получения чистой поверхности в ответственных отверстиях канальные стержни окрашивают противопригарными красками на водной или спиртовой основе.

Окрашивание является не обязательной операцией. Решение красить или не кра­сить принимается в зависимости от диаметра канала и в соответствии с требованиями к чистоте его поверхности в зависимости от:

• морфологии, крупности и чистоты поверхности применяемых песков (или реге­нерата) .

• технологических характеристик применяемой стержневой смеси (тип процесса,
газовыделение, прочность, выбиваемость).

Если требования к шероховатости отливки Rz=60…80, окрашивание противопригарными красками можно заменить напылением огнеупорным порошком типа талька или пирофиллита. Из-за плохой экологии эта технология применяется ограниченно.

Сборка стержней в пакет:

Традиционные методы сборки стержней в пакет: склеивание, свинчивание, спаи­вание металлом, фиксирование отдельных стержней одним дополнительным объединяю­щим (замковым) стержнем.

Склеивание горячим клеем — самый производительный и широко применяемый ме­тод сборки при изготовлении стержневых пакетов для получения блоков двигателя и го­ловки цилиндров из алюминиевых сплавов, гарантирующий высокую размерную точность.

Технологические преимущества этого метода:

• широкая гамма клеев на полиамидной основе (их температура плавления —
от 140° до 180°С, вязкость во время нанесения — 2…4 (Па/сек), допустимая продолжи­тельность нанесения — 3…5 сек, мгновенное нарастание прочности, высокая устойчивость
против воды и спиртов, хранение в твердом (гранулированном) состоянии) .

• минимальный расход при максимальной эффективности .

• широкая гамма устройств для плавления гранул горячих клеев.
Свинчивание шурупами и соединение расплавленным металлом можно применять

для крепления всего некоторых типовых стержней, как например для пар водяная рубаш­ка рядного цилиндрового блока — основной стержень, а также для верхнего замыкающего стержня относительно фронтального, заднего и торцевых стержней. Применение шурупов для неплоских поверхностей не практикуется. Недостаток технологии — появление допол­нительного материального потока в производственном процессе.

Из-за конструктивных особенностей блоков двигателей из алюминия система фик­сирования отдельных стержней одним, замковым, применяется в отдельных случаях.

Повышенную размерную точность, которую при этой системе стремятся обеспе­чить дополнительным выстрелом объединяющего стержня, можно обеспечить чисто

чисто механической сборкой по высокоточным стержневым знакам. Такие технологи­ческие решения отработаны для европейского автомобильного концерна.