Головка циліндра, як ніяка інша деталь або вузол двигуна, визначає його експлуатаційні характеристики, зокрема, вихідну потужність, крутний момент, кількість і властивості вихлопних газів, споживання палива, рівень шуму. Головка циліндра включає основні елементи для механічного контролю газообміну або спалювання. Тут особливу роль відіграє клапанне регулювання.
Бажано якомога раніше визначити метод лиття головки циліндра. При розробці технічного проекту головки циліндра рекомендується враховувати досвід як в сфері лиття, так і в сфері виготовлення моделей. Не всі методи лиття дозволяють отримати необхідні форми. Форма і розташування впускного і випускного каналів, так само як і форма камери згоряння, в першу чергу визначають форму головки циліндра. Більш того, діаметр циліндра і відстань між циліндрами також впливають на основні геометричні характеристики.
Так як згорання палива супроводжується високими температурами (в тому числі і всередині головки циліндра), дуже важливо розробити правильну концепцію охолодження. Охолоджуючий агент, як правило, подається на нижню поверхню головки циліндра через прокладку головки циліндра в картері і через численні отвори. З усіх можливих систем охолодження (наприклад, поперечний охолодження, поздовжнє охолодження або їх комбінація) оптимальна система охолодження вибирається з використанням відповідних моделей. Можливі критичні ділянки виявляються вже на ранньому етапі.
Канали для системи водяного охолодження і подачі мастила часто дуже тонкі. На сьогоднішній день це є найбільш складним завданням для ливарних виробництв при виготовленні головок циліндрів, так як навіть незначні зміни в технологічному процесі можуть викликати необхідність доопрацювання або навіть відбраковування деталі.
методи лиття
При виготовленні головок циліндрів двигунів внутрішнього згоряння пред'являються високі вимоги до механічних властивостей матеріалів при температурах вище 150 ° C. Сучасні головки циліндрів (особливо це стосується дизельних двигунів з прямим уприскуванням) відрізняються більш складною формою і зростаючими напруженнями при експлуатації.
Залежно від пропонованих до двигуна вимог і використовуваного методу лиття для виготовлення головок циліндрів використовуються різні матеріали. Крім алюмінію, для великих двигунів і вантажного автотранспорту можна також використовувати ливарні чавуни. За небагатьма винятками саме алюміній використовується для двигунів легкових автомобілів. З урахуванням тиску при запаленні, яке становить 150 бар, слід використовувати спеціальні сплави, що відповідають найвищим вимогам з точки зору
- високої міцності на розтягнення і високого опору повзучості в діапазоні від кімнатної температури до 250 ° C;
- високій теплопровідності;
- низькою пористістю,
- високоїпластичності і пружності при високому опорі тепловим ударам;
- хороших ливарних властивостей і схильності до утворення гарячих тріщин.
Інструменти моделювання, наприклад, моделювання заповнення ливарної форми і кристалізації в процесі лиття, активно використовуються вже на етапі планування нової деталі. Це дозволяє визначити оптимальне співвідношення всіх цільових параметрів.
На сьогоднішній день широкого поширення набули такі методи лиття:
- лиття в піщану форму;
- лиття в кокіль;
- лиття по моделях, що газифікуються;
- лиття під тиском.
При лиття в піщану форму і ливарна форма, і стрижень виготовляються на основі кварцового або інших спеціальних видів піску. Як правило, для підготовки ливарної форми використовуються бентонітові сполучні, а для підготовки стрижнів - хімічні сполучні.
Складні геометричні форми елементів (навіть при наявності вирізів) можна легко отримати при використанні ливарної форми з хімічно пов'язаних матеріалів і лиття в стрижневі пакети. Ще однією перевагою даних методів є економічно ефективне виробництво навіть при невеликій кількості виробленої продукції і можливість щодо швидкого внесення змін. Перевагою лиття в стрижневі пакети (при цьому методі лиття всі профілі деталі представлені піщаними стрижнями) є те, що температура відливається деталі в період між литтям і кристалізацією, як правило, не опускається нижче 500 ° C. Даний метод лиття дозволяє забезпечити низькі напруги і високу точність розмірів.
Метод лиття в піщану форму при низькому тиску рекомендується застосовувати для виготовлення прототипів і дрібносерійного виробництва. Метал надходить в ливарну форму по вертикальній трубі під тиском приблизно 0,1-0,5 бар. Постійний тиск, яке підтримується і в процесі кристалізації, дозволяє отримати структуру дуже високої якості.
Кокілі, виготовлені з сірого чавуну або сталі для роботи при високих температурах, використовуються для отримання легких сплавів. Як і при литті в піщану форму, стрижні встановлюються в ливарну форму. Розрізняють два види лиття в кокіль: власне кокільне лиття та лиття під низьким тиском.
Лиття по моделях, що газифікуються фактично є різновидом лиття в піщану форму. Різні верстви головки циліндра отримують шляхом спінювання і подальшого склеювання між собою шарів полістиролу. При використанні даного методу дві моделі головки циліндра з'єднуються між собою за допомогою літніковойсистеми і прибутків, утворюючи так званий блок моделей. Цей блок моделей потім кілька разів занурюють в керамічне покриття і висушують потоком повітря. Блок моделей поміщають в S-подібну трубу і засипають пухким піском. Після цього можна приступати до лиття. При заповненні ливарної форми полістирол перетворюється в газ. Одним з переваг даного методу лиття є можливість виготовляти деталі з товщиною стінки 4 мм. Крім того, можна виготовити канали для подачі мастила будь-якої форми і забезпечити набагато більш високу точність допусків в камері згоряння. Необхідна механічна обробка при цьому зводиться до мінімуму.
Кокілі, виготовлені з сірого чавуну або сталі для роботи при високих температурах, використовуються для лиття під тиском. Перед кожним циклом лиття форми слід обробляти розділовим складом.
Перспективи технології виготовлення головок циліндра
Подальше вдосконалення виготовлення головок циліндра буде направлено на використання більш легких конструкцій, більш міцних матеріалів і більш економічно ефективних технологій. Застосування багатоходових клапанів (в тому числі і для дизельних двигунів) дозволить оптимізувати газообмін і підвищити питому потужність циліндра. Параметри двигунів (зокрема, витрата палива і характеристики викидів) також безперервно вдосконалюються. Виконання даних вимог є основним завданням для розробників.
Комплексні рішення для лиття головок циліндра
Крім точних геометричних розмірів деталі, слід заздалегідь враховувати можливі методи лиття та формування. Тільки так можна отримати оптимальну виливок в умовах серійного виробництва. До того ж до різних змін конструкції, стадія експериментального виробництва дозволяє отримати попередні дані про властивості деталей, кількості шлюбу і необхідних доопрацювань. Не пізніше, ніж до початку серійного виробництва дуже важливо мати інформацію про шлюб і, в кінцевому підсумку, про всі фактори, що обмежують вихідну потужність. Тільки так можна досягти високої продуктивності при невеликих витратах і мати можливість утримувати зазначену ціну деталі.
Як вже говорилося вище, головка циліндра - це саме та деталь, яка в основному визначає властивості двигуна. Зменшення розмірів двигуна супроводжується безперервним зменшенням маси головки циліндра, відлитими як з чавуну, так і з алюмінію. У той же час до деталі пред'являються все більш жорсткі вимоги. Тісна співпраця між виробниками моделей, ливарниками і проектувальниками на самому початку розробки нових рішень дозволяє виділити головні цілі.
Значення які використовуються в технологічному процесі реактивів також безперервно зростає. Саме від них залежить надійність деталі протягом усього терміну її служби. На сьогоднішній день інструменти моделювання процесів заповнення ливарної форми і кристалізації знаходяться на високому технічному рівні. Крім чітко встановлених процесів, при плавці і очищенню розплавленого ливарного металу
потрібні максимально чисті шихтові матеріали і очищають склади.
При виготовленні форм, і особливо при виготовленні стрижнів, слід упевнитися, що всі використовувані базові формувальні матеріали і зв'язуючі гарантують гарну розмірну стабільність стрижнів або стрижневих пакетів. При чавунному лиття можуть також використовуватися присадки і вогнетривкі покриття. Внаслідок того, що товщина стінок стрижнів кожуха водяного охолодження, а також стрижнів каналів для подачі мастила, зменшилася до 4 мм, сполучні піщаних ливарних стрижнів повинні гарантувати їх високу початкову міцність. Це означає, що при зверненні зі стрижнем він не буде зруйнований.
Що використовується сполучна в процесі лиття і кристалізації має володіти високою міцністю в нагрітому стані. Це дозволить виключити небезпеку руйнування стержня і недостатню стабільність розмірів навіть в критичних умовах застосування філігранних стрижнів. Однак, в той же час, сполучна має забезпечувати легке вилучення стрижня. Це особливо очевидно при алюмінієвому лиття. Бульбашкові дефекти і мікропористість деталі призводять до утворення течі. Зазвичай такі деталі відбраковуються. Щоб звести ризик до мінімуму, необхідно вкладати інвестиції в удосконалення процесу заповнення ливарної форми. Даний процес повинен протікати як можна більш рівномірно і спокійно. До того ж, важливо враховувати і правильно організувати видалення стрижневих газів. В цілому, сполучна слід розробляти таким чином, щоб мінімізувати виділення газів і інших викидів. Викид газу з сполучного в процесі лиття слід координувати з урахуванням ливарного металу і періоду кристалізації. Це ж стосується і присадок. При використанні покриттів газопроникність вироби повинна відповідати технологічному процесу.
Крім сказаного вище, в чавунних виливках можливо пленообразованіе. Тут великий вплив надають розширення піску як базового формувального матеріалу, викид газу з сполучних, газопроникність покриття і міцність формувальної суміші. Однак всі перераховані вище параметри можуть лише частково компенсувати дефекти, що виникають при заповненні ливарної форми і подальшому нагріванні
відповідної ділянки форми. Головне завдання при чавунному лиття - запобігти утворенню металізації, проникнень і / або ужімін. Металлизацию і проникнення можна попередити, перш за все, вибравши правильне покриття, яке повинно відповідати одночасно і формувальних матеріалів, і ливарному металу, і виключати протікання небажаних хімічних реакцій. Освіта ужімін, особливо на кожусі водяного охолодження і каналах для подачі мастила, є актуальною проблемою. У більшості випадків заходи щодо усунення та профілактики цього дефекту
полягають в правильному виборі формувального матеріалу або цілеспрямованому використанні добавок до формувальної суміші. Поява шорсткостей на поверхні впускного і випускного каналів можна запобігти, вибравши формувальну суміш необхідного гранулометричного складу, або застосовуючи покриття, яке заповнює зазори між порами піщинок.
Однак проблеми мають не тільки технічний характер. Використовувані шихтові матеріали повинні бути максимально безпечними для навколишнього середовища. Сьогодні співробітники, місцеві жителі з околиць ливарного підприємства і влади надзвичайно зацікавлені в мінімізації шкідливих викидів, запаху,
димових газів і конденсату і їх повній відповідності вимогам охорони праці на виробництві.