CN115971424A - 一种发动机缸盖冷却结构及冷却方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种发动机缸盖冷却结构和冷却方法，包括：冷却管道，冷却管道包括在每个燃烧室正下方都布设的平面螺旋环状管；冷却液从中间燃烧室处进入向外侧相邻的燃烧室区域延伸直至从最外侧排出。冷却液注入装置连通中间平面螺旋环状管最内圈的开口端，冷却液回收装置连通最外侧的平面螺旋环状管最外圈的开口端；待浇口杯完全填满并停止注入金属液时，开始向冷却管道内循环注入冷却液，直至铸件温度低于设定后停止注入冷却液。利用本发明能够使凝固后各部位材料的机械性能趋于均匀，同时本发明整体结构能有效防止冷却管道变形，后续清理也十分便捷。本发明使用方便、可重复使用。
Description
技术领域
本发明属于铸造技术领域，具体涉及一种发动机缸盖冷却结构及冷却方法。
背景技术
现有的工艺方案大致可以分为三大类。每类有相应的工艺技术。
(1)潮模砂工艺方案
传统工艺的缸盖底板采用潮模砂成型，水套芯、气道芯等制造完成后涂料，并将这些放入潮模砂形成的外型中完成组芯步骤。组芯完成后合箱以备浇注。
(2)覆膜砂包芯工艺方案
西班牙Loramendi公司开发Key-core包芯工艺，以提高砂芯的组芯精度和铸件的尺寸精度。该工艺对已制造而成的砂芯进行二次射砂，省去螺杆组芯定位时造成的尺寸偏差。
中国一些企业目前也开发出类似的覆膜砂包芯工艺，但为了降低生产成本，不采用二次射砂的工艺路线。
另外也有相应的专利开发出局部冷却的工艺方法，如中国专利“一种砂型铸造增强铸件冷却的方法及装置”，公开号CN113210587A，公开日2021-08-06；中国专利“一种便于局部冷却的砂型铸造用砂芯”，公开号CN214442858U，公告日2021-10-22。
(3)FPC工艺方案
Volvo于1997年开发出FPC工艺(International Publication Number WO00/27567；Patent No.:US 6422,295B1)，并因此工艺获得20世纪铸造工艺大奖。该工艺在包芯的基础上，将砂芯放置在带有冷却水道的铁型内，铁型与砂芯贴合。浇注后冷却过程中，冷却水道内通入冷却水，以降金属液的热量带出，提高零件的冷却速度，从而提高零件本体的机械性能。该工艺制造的灰铸铁件，本体的抗拉强度可以稳定达到320Mpa以上，且均匀性优于潮模砂和覆膜砂制造工艺，Cpk＝1。此外，由于外部金属铸型的紧固压力降低了涨箱的倾向，从而减少了显微缩松和粘砂。
现有的三类技术方案各有缺点，现详述如下：
(1)潮模砂工艺方案：潮模砂是传统的铸造工艺。该方案具有成本低、柔性高等优势。但是该工艺由于砂型强度相对较低，传热速率也相对较低，因此零件的显微缩松难以避免，机械性能相对较低。因此该工艺制造的零件均匀性较低，CpK较低。该工艺制造的灰铸铁件本体的抗拉强度难以稳定达到270Mpa，而且在生产过程中需要添加很多昂贵的合金元素以达到合金强化的作用；
(2)覆膜砂工艺方案：无论是Key-core工艺还是螺杆拧紧的覆膜砂工艺制造的砂芯组芯完成后，都需要将砂芯放置在填有潮模砂的砂箱内。这样势必会造成铸件在凝固过程中的冷却速度更慢。较低的冷却速度会造成铸件的晶粒难以细化，从而难以达到较高的机械性能。
(3)FPC工艺方案：该方案可以提供更快的冷却速度和机械性能。但是该方案的模具通用性不高，从而造成生产成本居高不下。如果需要生产不同产品则需要重新制造相应的含有冷却通道的铁型。而且一套铁型只能生产1-2件零件，如果要实现流水线生产，则需要制造8套以上的铁型。这大大增加了生产成本。
发明内容
针对背景技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种冷却效率高、成品抗拉强度可靠、机械性能均匀的发动机缸盖冷却结构及冷却方法。
为达到上述目的，本发明设计的发动机缸盖冷却结构，包括：
冷却管道，所述冷却管道包括在每个燃烧室正下方都布设的平面螺旋环状管；
所述平面螺旋环状管最内圈的开口端为冷却液进口，上述平面螺旋环状管最外圈的开口为冷却液出口且与相邻的平面螺旋环状管最内圈的开口端连通；
冷却液从中间燃烧室处进入向外侧相邻的燃烧室区域延伸直至从最外侧排出。
优选的，所述冷却管道还包括一直管；冷却液通过直管流入平面螺旋环状管最内圈的开口端。
进一步优选的，所述冷却管道还包括U型管；平面螺旋环状管内的冷却液经所述U型管流出；相邻的平面螺旋环状管之间通过U型管和直管连通。
再进一步优选的，所述直管位于平面螺旋环状管的下方，且直管的轴向垂直U型管的直管段。
优选的，所述冷却管道为铜管。
优选的，还包括支架，所述平面螺旋环状管承载于所述支架上；所述支架与缸盖底座芯可拆卸连接。
为达到上述目的，发动机缸盖冷却方法，包括：
将发动机缸盖冷却结构装入缸盖底座芯的芯盒内，向芯盒内射入并填实覆膜砂，对芯砂进行固化；冷却液注入装置连通中间平面螺旋环状管最内圈的开口端，冷却液回收装置连通最外侧的平面螺旋环状管最外圈的开口端；
待浇口杯完全填满并停止注入金属液时，开始向冷却管道内循环注入冷却液，直至铸件温度低于设定后停止注入冷却液。
优选的，冷却管道制造完成后，在使用前需要在表面涂敷锑粉涂料。
优选的，所述冷却管道表面与铸件底面之间的距离为10～20mm。
优选的，直至铸件温度低于500℃后停止注入冷却液。
本发明的有益效果是：利用本发明能够使凝固后各部位材料的机械性能趋于均匀，同时本发明整体结构能有效防止冷却管道变形，后续清理也十分便捷。本发明使用方便、可重复使用。
附图说明
图1是本发明冷却管道的结构示意图；
图2是本发明发动机缸盖冷却结构的示意图一；
图3是本发明发动机缸盖冷却结构的示意图二；
图4是本发明使用状态示意图一；
图5是本发明使用状态示意图二；
图6是本发明使用状态的剖视示意图。
具体实施方式
下面通过附图以及列举本发明的一些可选实施例的方式，对本发明的技术方案(包括优选技术方案)做进一步的详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图6所示，本发明设计的发动机缸盖冷却结构，包括：冷却管道，所述冷却管道包括在每个燃烧室正下方都布设的平面螺旋环状管1；所述平面螺旋环状管1最内圈的开口端为冷却液进口，上述平面螺旋环状管1最外圈的开口为冷却液出口且与相邻的平面螺旋环状管1最内圈的开口端连通；冷却液从中间燃烧室处进入向外侧相邻的燃烧室区域延伸直至从最外侧排出。
在本发明的一些可选实施例中，所述冷却管道还包括一直管2；冷却液通过直管2流入平面螺旋环状管1最内圈的开口端。所述冷却管道还包括U型管3；平面螺旋环状管1内的冷却液经所述U型管3流出；相邻的平面螺旋环状管1之间通过U型管3和直管2连通。
在本发明的一些可选实施例中，所述直管2位于平面螺旋环状管1的下方，且直管2的轴向垂直U型管3的直管段。
在本发明的一些可选实施例中，发动机缸盖冷却结构还包括支架4，所述平面螺旋环状管1承载于所述支架4上；所述支架4与缸盖底座芯5可拆卸连接。
优选的，所述冷却管道为铜管。
本发明可根据零件尺寸及需要的散热面积分别选用外径Φ9.52mm，Φ7.94mm，Φ7mm，Φ6.35mm，Φ5mm的铜管镶嵌入缸盖底座芯5内，在凝固过程中通入冷却水以提高铸件的冷却速度。可以通过CAE模拟分析计算散热效率，从而选择相应的管道尺寸。
将铜管弯曲成平面螺旋环状，冷却液从其最内圈开口进入，螺旋循环后，从最外圈开口排出。如此，将铜管弯曲成回路，能够扩大使用过程中的散热面积。铜管的外围尺寸可包含在形成缸盖底板外侧的底座芯内。每套冷却管道路分别有两个入口和两个出口，两个分别入口位于3缸和4缸部位，并先在3，4缸燃烧室内形成回路后再分别向外侧相邻燃烧室区域延伸，并在相邻缸的燃烧室内形成相同的冷却回路，见图5。冷却管道出口则分别位于1缸和6缸外侧。这是因为在铸造冷却过程中，3、4缸的燃烧室位于铸件芯部，在没有冷却管道的条件下这两处的冷却速度最慢。而冷却液先进入这两处区域，由于冷却液的初始温度较低，较大的温差可以带走更多的热量。随后冷却液再依次经过两侧燃烧室，而使不同燃烧室区域的冷却速度解决，从而使凝固后各部位材料的机械性能趋于均匀。
由于铜管的弹性模量较低，容易产生变形。因此需要在铜管上设置由马氏体不锈钢(430、420、410)制造的支架4，以防止反复使用造成的过量变形，见图2和图3。且马氏体不锈钢具有磁性，可以在后期清理过程中使用电磁铁将支架及冷却管道从废砂中清理出来。
冷却管道制造完成后，在使用前需要在表面涂敷锑粉涂料。这种涂料具有较为优异的热传导性能，且可以保护冷却铜管。以免在发生金属液钻芯的情况下金属液也不会与冷却管道融合在一起，使得冷却管道可以反复使用。
涂敷完涂料的冷却管道通过支架定位孔放入缸盖底座芯5的芯盒内，见图4、图5、图6，冷却管道表面与铸件底面之间的距离为10～20mm，采用射芯机向芯盒内射入并填实覆膜砂，随后向芯盒中通入三乙胺对芯砂进行固化处理。
带有该冷却管道的缸盖底座芯与其他砂芯组合后用螺杆拧紧，放入到已用模具制造并震实的潮模砂砂箱内。冷却管道入口和出口分别接入冷却液注入和回收装置。
浇注初期冷却管道不注入冷却液。待浇口杯完全填满并停止注入金属液时，开始向冷却管道内循环注入冷却液，直至铸件温度低于500℃以下后停止注入。
开箱后，冷却管路与铸件和芯砂一起震落后，采用电磁铁筛选法将冷却管路从取出，清理完毕后待下次使用。
也就是，发动机缸盖冷却方法，包括：将发动机缸盖冷却结构装入缸盖底座芯的芯盒内，向芯盒内射入并填实覆膜砂，对芯砂进行固化；冷却液注入装置连通中间平面螺旋环状管最内圈的开口端，冷却液回收装置连通最外侧的平面螺旋环状管最外圈的开口端；待浇口杯完全填满并停止注入金属液时，开始向冷却管道内循环注入冷却液，直至铸件温度低于设定后停止注入冷却液。
以某高热负荷发动机缸盖的制造为例。将冷却管道、支架浸涂锑粉涂料并干燥后，通过螺栓孔将冷却管道、支架4与制造缸盖底座芯5的芯盒连接在一起(涂料时需要对螺栓和螺栓孔进行保护，以免涂料进入到螺栓孔内及螺纹表面，以影响装配)。由装配的螺栓及螺栓孔的尺寸确保冷却管道与芯盒底面的距离在10～20mm范围内，从而确保冷却管道距离制造的底板芯外壁面的距离为10～20mm。该尺寸决定铸件凝固时冷却管道把热量带出的效率。
组合完毕后，将芯盒合箱，从芯盒表面的射砂孔射入树脂砂并震实，随后通入三乙胺进行固化。待砂芯固化后将砂芯取出。此时缸盖底座芯内及内嵌有冷却通道(见图5)。
砂芯涂料后与其他砂芯完成组芯工序并用螺杆锁定，整体放入已用潮模砂填充的砂箱中，并将冷却管道与外部冷却液循环设备连接。合箱后待浇注。
浇注过程中，当浇口杯填满后开始向管道内通入冷却液，并监控输入口的温度，以确保不同时间段冷却装置的冷却效率一致。
当铸件的温度降低到500℃以下后停止冷却液的注入。该温度下铁的凝固阶段完成且晶粒尺寸固化，从而使铸件得到稳定的机械性能。
使用该方法制造的灰铸铁缸盖底板侧的抗拉强度可稳定达到320Mpa，从而确保了发动机的燃烧效率和排放法规的达成。
本领域技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不以限制本发明，凡在本发明的精神和原则下所做的任何修改、组合、替换、改进等均包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种发动机缸盖冷却结构，其特征在于，包括：
冷却管道，所述冷却管道包括在每个燃烧室正下方都布设的平面螺旋环状管；
所述平面螺旋环状管最内圈的开口端为冷却液进口，上述平面螺旋环状管最外圈的开口为冷却液出口且与相邻的平面螺旋环状管最内圈的开口端连通；
冷却液从中间燃烧室处进入向外侧相邻的燃烧室区域延伸直至从最外侧排出。
2.根据权利要求1所述的发动机缸盖冷却结构，其特征在于：所述冷却管道还包括一直管；冷却液通过直管流入平面螺旋环状管最内圈的开口端。
3.根据权利要求2所述的发动机缸盖冷却结构，其特征在于：所述冷却管道还包括U型管；平面螺旋环状管内的冷却液经所述U型管流出；相邻的平面螺旋环状管之间通过U型管和直管连通。
4.根据权利要求3所述的发动机缸盖冷却结构，其特征在于：所述直管位于平面螺旋环状管的下方，且直管的轴向垂直U型管的直管段。
5.根据权利要求4所述的发动机缸盖冷却结构，其特征在于：所述冷却管道为铜管。
6.根据权利要求1至5任一所述的发动机缸盖冷却结构，其特征在于：还包括支架，所述平面螺旋环状管承载于所述支架上；所述支架与缸盖底座芯可拆卸连接。
7.使用权利要求1至6任一所述的发动机缸盖冷却结构的发动机缸盖冷却方法，其特征在于，包括：
将发动机缸盖冷却结构装入缸盖底座芯的芯盒内，向芯盒内射入并填实覆膜砂，对芯砂进行固化；冷却液注入装置连通中间平面螺旋环状管最内圈的开口端，冷却液回收装置连通最外侧的平面螺旋环状管最外圈的开口端；
待浇口杯完全填满并停止注入金属液时，开始向冷却管道内循环注入冷却液，直至铸件温度低于设定后停止注入冷却液。
8.根据权利要求7所述的发动机缸盖冷却方法，其特征在于：冷却管道制造完成后，在使用前需要在表面涂敷锑粉涂料。
9.根据权利要求7所述的发动机缸盖冷却方法，其特征在于：所述冷却管道表面与铸件底面之间的距离为10～20mm。
10.根据权利要求7所述的发动机缸盖冷却方法，其特征在于：直至铸件温度低于500℃后停止注入冷却液。
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