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.