1、J I A N G S U U N I V E R S I T Y復合材料07課程設計汽車發動機缸體用復合材料的結構設計The Structure Design of Composites for Car Engine Cylinder Body學院名稱：材料科學與工程學院 專業班級：復合材料1001班 學生姓名： 指導老師姓名：張松利2010年7月摘 要鋁基復合材料具有低的密度，高的比強度和比剛度，優良的鑄造性能。由于汽車輕量化的要求，鋁基復合材料將越來越多的應用于汽車領域中。本文設計了鋁基復合材料在發動機缸體中的應用，同時將鋁基復合材料和傳統發動機缸體的材料做了比較。 復合材料主要由增強體

2、和基體組成，本文以鋁合金作為基體選擇碳化硅作為增強體并且選擇傳統的壓力鑄造工藝進行制備發動機缸體。最后對生產的產品進行必要的質量控制和檢測，使得制備出來的發動機缸體符合要求。關鍵詞：鋁基復合材料，發動機缸體，壓力鑄造ABSTRACTAluminum matrix composite have low density, high specific strength，specific stiffness and excellent casting properties. Since the requirements of lightweight vehicles, Al matrix compos

3、ite will be used more and more in automotive field. This article describes the application of Al matrix composite in the engine cylinder body, meanwhile make a compare with the materials of traditional engine cylinder body.Composite material is made up of matrix and reinforcement. In this work, alum

4、inum alloy and SiC particle are choosen as matrix and reinforcement, respectively. The engine cylinder body product is formed by pressure die casting technology. At last, The quality check and control system are demonstrated for the product meeting the application requirement.Key words:Al matrix com

5、posite; engine cylinder body; pressure die casting目 錄目錄4第一章緒論51.1 選題的意義51. 2 發動機缸體用的材料51.2.1 灰鑄鐵61.2.2 蠕鐵61.2.3 鎂基體71.2.4 鋁基體8第二章發動機缸體的設計92.1 發動機缸體的產品圖92.2材料的選擇9基體的選擇9增強體的選擇102.3 成型工藝11成型工藝的種類112.4 發動機缸體工藝、工裝162.4.1 鑄造工藝方案162.4.2 模具的設計172.5 發動機缸體的加工流程172.5.1.制芯工藝172.5.2.組芯工藝182.5.3.造型工藝182.5.4.下芯工藝1

6、82.5.5.熔煉182.5.6.澆注系統設計192.5.7.工藝參數的選定192.5.8.落砂、清理及檢測192.6 質量控制202.6.1 原材料的選擇202.6.2 成型工藝的控制212.6.3 后續的加工與處理26第三章總結27參考文獻28第一章 緒 論1.1 選題的意義隨著現代汽車工業的高速發展，越來越多的汽車使用鋁基體代替鋼、塑料等傳統材料，使得汽車工業朝著輕量化、高速、安全、舒適、低排放、低成本與節能的方向發展。汽車輕量化采用鋁基體效果十分顯著。目前，汽車工業發達國家平均用鋁量已達130kg以上，而日本2000年的轎車用鋁量達270kg。我國轎車平均用鋁量在80-100kg。研究

7、表明，汽車整備質量每減少100kg，百公里油耗可降低0.3L到0.6L。此外，汽車輕量化還可以提高汽車動力性，節省材料，降低成本。減輕車重，材料的再利用和綠色制造是汽車材料的發展重點。發動饑是汽車的“心臟”，約占汽車總重的18%。缸體是發動機中重量最重、復雜程度最高、生產難度最大的關鍵鑄件，一般都超過發動機質量的1/4，甚至接近1/3。早在40多年前，就已經有生產鋁基體發動機氣缸體的壓鑄機了。我國砂型鑄造汽油機鋁基體氣缸體的歷史至少可以上溯到30多年前。現代汽車對發動機的要求是輕量化、功率大、省油、噪音小、無有害排放等，這些要求毫無疑問都要分解到各個零部件上，缸體是首選零件。發動機缸體輕量化的

8、途徑，首先是提高升功率，以降低發動機單位功率的質量，除了提高升功率以外，減輕單個零件的質量也是發動機輕量化的重要途徑。目前，減輕傳統的灰鑄缸體質量有2條途徑：一是改進結構；二是采用鋁合金或鋁基復合材料。1. 2 發動機缸體用的材料現代轎車發動機為降低燃油耗和達到排放法規的要求大多采用廢氣渦輪增壓，而且在汽油機上還因提高壓縮比和發動機在爆震極限附近運行，使得機械負荷也大大增加，特別是先進的轎車柴油機爆發壓力已超過1 8MPa，對氣缸蓋的合金材料提出了非常高的要求，同時為降低發動機種類和制作成本，以及必須考慮發動機零件良好的制作工藝性。對缸體鑄件有如下要求：（1）有足夠強度、剛度和致密性；（2）輕

9、量化；（3）形狀準確，尺寸精度高；（4）鑄件內外表面光潔；（5）.有良好的加工性能。在滿足缸體性能要求的條件下，主要介紹幾種較常見的發動機缸體的材料（灰鑄鐵、蠕鐵、鎂鋁合金），并作做簡單的對比。1.2.1 灰鑄鐵傳統的發動機缸體的材料是灰鑄鐵。由于灰鑄鐵具有足夠的強度、剛性，為氣缸筒滑移表面提供了良好的摩擦學性能，并且有良好的鑄造性、吸振性和加工性，生產成本低廉。所以，迄今絕大多數發動機氣缸體都采用灰鑄鐵。但灰鑄鐵材料的最大缺點是密度大。傳統缸體的材質都選用高牌號灰鑄鐵，大多數為HT250級， 一部分為HT300級。1.2.2 蠕鐵隨著發動機強化程度越來越高以及對發動機減重的要求越來越高，灰鑄

10、鐵已經逐漸不能滿足要求，為此最近幾年蠕鐵(CGI)氣缸體越來越受到人們的重視。實際上蠕鐵早在20世紀40年代就被發現，但由于石墨的蠕化工藝極其不穩定因此一直沒有在發動機重要零部件上得到應用。蠕鐵的疲勞強度幾乎是灰鐵2倍，因此在承受同樣負荷的情況下，可以將氣缸體壁厚大大減小，或者在采用同樣結構尺寸的情況下承受更大的負荷。蠕鐵的鑄態穩定性非常好，可以在設計中采用較低的安全系數，這就意味著可以進一步減輕發動機質量。蠕鐵的強度和剛度更好，可以改善缸筒尺寸的穩定性減小缸筒的變形并進一步減小缸筒與活塞副的磨損，降低機油耗和燃油耗。蠕鐵的強度更好，因此可以減小相關螺栓的旋合長度。用更短的螺栓和螺栓搭子意味著

11、進一步減輕發動機質量。與灰鑄鐵相比，蠕墨鑄鐵缸體有如下優點：(1) 發動機功率 缸徑變形小且均勻，并可降低活塞環的張力，能夠減小摩擦，降低缸套的磨損和機油消耗；(2) 缸徑的膨脹 缸徑的膨脹小1828，因此可降低機油消耗以及有害氣體的泄漏；(3) 缸徑的圓度 蠕墨鑄鐵剛性高，所以裝上缸蓋后缸徑的圓度比灰鑄鐵至少要好40；(4) 密封性 蠕墨鑄鐵缸體的缸徑應變小，與灰鑄鐵相比漏氣投機油消耗均大大降低；(5) 漏油 蠕墨鑄鐵的拋光好，發動機和壓油部件的漏油可減少20；(6) 輕量化 蠕墨鑄鐵的強度和剛性都高，留有改進設計、減輕重量的足夠余地發動機缸體改進設計后，缸體重量減輕丁30；(7) 噪聲、振

12、動減振性與灰鑄鐵大致相同，而噪聲減少818；(8)氣缸間壁厚蠕墨鑄鐵強度可達灰鑄鐵的兩倍，有利于壁厚的減薄。 蠕墨鑄鐵缸體的開發成功大大提高了鐵質材料重新奪同其應用市場的可能性。目前限制蠕墨鑄鐵缸體發展的原因有：一是產品設計師對蠕鐵了解不深，不可能根據蠕鐵特點來改進缸體甚至是發動機的設計；二是鑄造廠穩定生產蠕化率大于80的蠕鐵尚有一定困難。同時蠕墨鑄鐵的密度也很大。在汽車“輕量化”壓力下（有盡量高的功率比，即缸體質量(k)與發動機功率(馬力=735w)之比越低越好。該比值越低，表明缸體(或發動機)越輕，也就意昧著有更低的油耗和更少的排放），鋁鎂合金的應用越來越廣泛。而且鋁鑄什生產技術日臻成熟，

13、故鋁鑄造的發動機缸體越來越受矚目。1.2.3 鎂基體 鎂合金在密度方面表現出明顯的優點，但其剛度和強度較低。不過，在彈性模量和強度相對于密度的比值方面具有非常良好的結果，完全勝任輕型結構材料的角色。然而，由于其較大的熱膨脹，如果沒有相應措施，發動機運轉時軸承間隙將會過度擴大，使得通過發動機的機油流量劇增，且聲學激勵明顯加劇。此外，鎂合金的耐磨性較差，不能滿足氣缸筒表面的要求。而且，它們的蠕變強度有限，而這種蠕變強度是設計中必須加以考慮的。這些缺點可以通過改善結構加以補救，但這將使成本上升得更高。1.2.4 鋁基體1997年，歐洲生產的1500萬輛小轎車和其它小型商用車中，只有77(1150萬輛

14、)的缸體采用灰鑄鐵件，而有23(350萬輛)的缸體采用鑄鋁件。美國福特公司，1993年開始生產鋁缸體，到1997年缸體產量已達50萬套，占總量的12。 鋁合金是汽車上應用最快和最廣的輕金屬，因為鋁合金本身的性能已經達到質量輕、強度高、耐腐蝕的要求。鋁合金通過強化合金元素使其強度大大提高，由于質輕、散熱好等特性，完全滿足了發動機活塞、氣缸體和氣缸蓋在惡劣環境下的工作要求。鋁合金氣缸體、氣缸蓋壓鑄成形技術可以提高凈化、精煉、細化和變質等材質質量控制嗎，使得鋁鑄件質量達到一致性和穩定性。另外，由于鋁合金密度低、強度性能與灰鑄鐵相近，韌性卻高于灰鑄鐵，且有良好的鑄造性能。因此擴大鋁合金應用可以明顯減輕

15、汽車的自重，降低能耗。灰鑄鐵，蠕墨鑄鐵和鋁，鎂基體的相關物理性能的比較如圖1所示：圖1 四種材料的性能數據第二章 發動機缸體的設計2.1 發動機缸體的產品圖 所設計的發動機產品圖如圖2下所示：圖 2 產品圖2.2材料的選擇2.2.1基體的選擇現代汽車生產和科學技術的發展，對材料提出越來越高的要求。而鋁基復合材料質量輕，比強度和比模量高、抗熱疲勞性能與耐磨性好。以鋁基復合材料來制備發動機缸體在發動機輕量化，節能等各方面的要求；并且隨著復合材料的迅速發展而發展。本次發動機缸體設計的材料選用鋁基復合材料，以A356鋁合金為基體，SiC為增強顆粒。發動機基體鋁合金A356的成分，如表格1所示表 1 基

16、體鋁合金A356的成分SiMgFeCuMnZnTi其他Al6.57.5O.20O.4005>91.15%鋁合金的鑄造性能（1）流動性 流動性是指合金液體的填充鑄型能力。流動性大小決定合金能否鑄造復雜的鑄件。在鋁合金中共晶合金的流動性最好。影響流動性的因素很多，主要是成分、溫度以及合金液體中存在金屬氧化物、金屬化合物及其他污染物的固相顆粒，但外在的根本因素為澆注溫度及澆注壓力的高低。實際生產中，在合金已確定的情況下，除了強化熔煉工藝外，還必須改善金屬型模具排氣及溫度，并在不影響鑄件質量的前提下提高澆注溫度，保證合金的流動性。 （2）收縮性 收縮性

17、是鋁合金缸體鑄造的主要特征之一。一般講，合金從液體澆注到凝固，直至冷卻，共分為3個階段，分別為液態收縮、凝固收縮和固態收縮。合金的收縮性對鑄件質量有決定性的影響，它影響著鑄件的縮孔大小、應力的產生、裂紋的形成及尺寸的變化。通常鑄件收縮又分為體收縮和線收縮，在實際生產中一般應用線收縮來衡量合金的收縮性。鋁合金收縮大，鋁鑄件產生裂紋與應力的趨向也越大；冷卻后鑄件尺寸及形狀變化也越大。 （3）氣密性 鋁合金缸體氣密性是指腔體型鋁鑄件在高壓氣體或液體的作用下不滲漏程度，氣密性實際上表征了鑄件內部組織致密與純凈的程度。鑄鋁合金的氣密性與合金的性質有關，合金凝固范圍越小，產生疏松傾向也越小，同時產生析出性

18、氣孔越小，則合金的氣密性就越高。同一種鑄鋁合金的氣密性好壞，還與鑄造工藝有關，如降低鑄鋁合金澆注溫度、加快冷卻速度以及在壓力下凝固結晶等，均可使鋁鑄件的氣密性提高。2.2.2增強體的選擇增強體：SiC顆粒 顆粒增強體的平均尺寸是3.5-10µm，最細的為納米級，最粗的顆粒粒徑大于30µm。在復合材料中，顆粒增強體的體積含量一般為15%-20%，特殊的也可達5%-75%。 按變形性能，顆粒增強體可以分為剛性顆粒和延性顆粒。剛性顆粒主要是陶瓷顆粒，其特點是高彈性模量、高拉伸強度、高硬度、高的熱穩定性和化學穩定性。剛性顆粒增強的復合材料具有較強的高溫力學性能，是制造切削刀具、高速

19、軸承零件、熱結構零部件等的優良候選材料；延性顆粒主要是金屬顆粒，加入到陶瓷、玻璃和微晶玻璃等脆性基體中，目的是增加基體材料的韌性。顆粒增強的復合材料的力學性能取決于顆粒的形貌、直徑、結晶完整度和顆粒在復合材料中的分布情況及體積分數。 選用顆粒增強的優點是：材料的選擇方便，成本低，易于批量生產。用纖維或者是晶須增強會增加成本，且不利于批量生產。常用的顆粒增強體的性能見表格2，表2 用的顆粒增強體的性能顆 粒名 稱密 度/g.Cm-3熔 點/oC熱膨脹系數/x10-6/oC硬 度-2彎曲強度/MPa熱導率/(W.m-1.K-1)碳化硅（SiC)3.2127004.02700400-50075.31

20、碳化硼(B4C)2.5224505.733000300-500碳化鈦(TiC)4.9232007.42600500氧化鋁(Al2O3)20509.0氮化硅(Si3N4)2100分解89-93HRA900莫來石(3Al2O3.SiO2)3.1718504.23250約1200硼化鈦（TiB2）4.52980常用于鋁基體中作增強顆粒的有：SiC、TiC、Al2O3等。本次設計選用SiC作為鋁基復合材料發動機缸體的增強顆粒，是從增強顆粒的性能（如密度，硬度等），制造成本等方面綜合考慮。2.3 成型工藝2.3.1成型工藝的種類材料選擇的不同會使發動機缸體的性能不同，同樣不同的工藝過程會使材料的性能不同

21、，工藝的進步會帶來產品技術的進步，可以直接體現在產品的性能、減重、成本、耐久性等各個方面。根據不同產品的需要進行合理的選擇，由于本次設計主要對象是鋁合金，故主要介紹鋁合金缸體的鑄造工藝。鋁合金缸體的鑄造工藝從原理上可以分成多次使用的鑄型（金屬型）和一次使用的鑄型（砂型）。砂芯的制造方法也有所不同。當今在大批量生產中最為常用的是砂型重力鑄造和壓鑄。砂型重力鑄造在成型方面提供了最大的自由度，可以采用封閉的氣缸蓋連接面（閉式頂板）。如果生產件數較高，那么壓鑄是一種經濟的解決方案。現在對于鋁氣缸體的鑄造方法很多，包括壓力鑄造、低壓鑄造、金屬型鑄造、砂型鑄造、COSWORTH、消失模鑄造等，并有很多衍生

22、的鑄造工藝。 壓力鑄造壓鑄能以很短的節拍、精細的表面質量和精確的尺寸實現鑄件薄壁結構。然而，由于熔融金屬充型壓力很高不能使用砂芯，水套通常必須往上敞開（開式頂板）。這意味著氣缸筒缺乏徑向的支撐。但是，即使如此也未必會導致氣缸筒嚴重變形。此外，壓鑄快速的充型過程易導致氣泡的生成，充填型腔的鋁液流速高而引起的紊流將空氣和氧化膜卷進鑄件結構中,使鑄件的內部致密性差。這個缺點可以利用擠壓鑄造加以避免，因為這種工藝采用的壓力較低，使得充型過程明顯地減緩，有可能進行補縮。以下途徑可以改善壓力鑄造的缺點:(1) 在壓室和壓型中采用真空;(2) 采用更科學、更合理的澆注系統;(3) 采用半固態金

23、屬來代替液態金屬。 低壓鑄造在裝有合金液的密封容器(坩堝)中，通入干燥的壓縮空氣(或者惰性氣體)，作用在保持一定澆注溫度的合金液面上，造成密封容器內與鑄型型腔內的壓力差，使合金在較低的充型壓力(0.01-0.05MPa)作用下，沿著升液管內孔自下而上地經升液通道、鑄型澆口、平穩地充入鑄型中，待合金液充滿型腔后，增大氣壓，使型腔里的合金液在較高的壓力作用下結晶凝固，然后卸除密封容器內的壓力，讓升液管、澆道內尚未凝固的合金液依靠自身的重力回落到坩堝中，再打開鑄型取出鑄件（工藝過程如圖3）。低壓鑄造的優點：1）鑄造材料利用率非常高，可以大幅度降低材料費和加工費。2）容易形成方向性凝固，

24、內部缺陷少，可以獲得完美鑄件。3）可以使用砂芯。而這種方法的缺點是生產率低,因充型時間僅需5 s15 s ,保壓時間則需3min6min ,整個生產循環達10min11min。大量生產轎車缸體、缸蓋時,需要多臺機器和多套模具。圖 3. 低壓鑄造示意圖 COSWORTH方法COSWORTH鑄造工藝實際上是砂型鑄造的一種，只不過采用了密度和鋁非常相近的鋯砂并采用電磁泵加壓并對澆注過程進行精密控制。Cosworth 法（圖4a,b）：將鋁液從保溫爐輸送到型腔中時沒有能形成新的氧化膜的攪動;型腔的充填由計算機控制,由于型腔的充填是采用底注的,因此要求電磁泵連續地向型腔供應鋁液直至鑄件完全

25、凝固為止。以代表性的缸蓋鑄件為例,充型和凝固時間約為4.25min ,其中充型時間僅為10 s12 s。電磁泵的利用率低，經過改進的Cosworth 傾轉法（圖4b)，是從鑄型的側面注入鋁液直至型腔被充滿為止。隨后將整個鑄型傾轉,此時電磁泵仍在工作,當鑄型被傾轉180°后電磁泵開始降低壓力以便處于橫澆道中的鋁液返回到電磁泵的澆注管中,鑄件則在具有熱的鋁液的冒口作用下進行凝固。圖4 COSWORTH方法與其他鑄造工藝相比COSWORTH工藝用于氣缸體設計具有以下優點：a結構設計可以非常靈活，對氣缸體的結構設計幾乎沒有任何限制，在設計中可以考慮將包括油道水道、回油孔等細小的結構直接鑄造出

26、來，大大降低機加成本。b由于采用鋯砂其密度和鋁非常接近而其熱膨脹系數和普通的硅砂相比又非常小，因此COSWORTH鑄造工藝可以實現非常高的鑄造精度，氣缸體各處壁厚控制可以非常均勻氣缸體設計時就可以少考慮鑄造偏差對氣缸體性能的影響，鑄件的廢品率也比較低。圖7所示為鋯砂和硅砂以及鑄鐵熱膨脹率的對比從圖中可以看出，鋯砂的熱變形率只有硅砂的1/6左右，并且在溫度高于500以上時熱膨脹率沒有突變。c采用COSWORTH工藝可以很好地控制重要部位的鑄造質量，保證在這些部位沒有或者少有鑄造缺陷。例如采用COSWORTH方法可以非常嚴格地控制氣缸體主軸承座，相鄰缸套之間部位的鑄造質量。 金屬型

27、鑄造 金屬型重力鑄造工藝特點是將液體金屬用重力澆注法澆入金屬型形成鑄件，鑄件品位比鋁合金砂型鑄造好，是生產較高質量鑄件的傳統方法。國外鋁缸體金屬型重力鑄造生產線包括：1）多工位轉臺或多工位直列式大批量鑄造系統；2）通用型液壓全自動控制的金屬型重力鑄造機；3）全自動澆注機器人、全自動下芯機械手和全自動取件機械手等輔助自動化系統；4）配合自動化生產的多種物流輸送管理系統；5）適宜多種制芯工藝而無需焙燒直接落砂的雙工位高頻振動落砂機；6）多工位水密壓力檢測設備。 消失模鑄造消失模鑄造的基本原理是將與所需鑄件形狀完全相同的泡沫塑料模型浸涂耐火涂層后，直接放入可抽真空的砂箱內，填入不含粘結

28、劑的干砂，低幅高頻振實，然后砂箱抽真空使砂子緊固成鑄型。澆注時在液態金屬的熱作用下，泡沫塑料分解氣化，金屬液取代原來泡沫模型所占據的空間位置，在隨后的凝固過程結束后獲得所需的鑄件。它適用于生產各種材質的鑄件。消失模鑄造采用遇液體金屬后即氣化的泡沫塑料作模樣,無分型面,不用取模,不用砂芯,采用無水分、無粘結劑、無附加物的干砂造型,可以生產薄壁、零度拔模斜率的復雜鑄件,還可直接鑄出螺紋及曲折的通道，可以減少機械加工工序。消失模鑄造可以生產出薄壁、零度起模斜度的復雜鑄件，并可直接鑄出螺紋及曲折的通道，可減少機械加工量及加工工序。 精確砂型鑄造常溫下在芯盒內通氣快速硬化砂芯的“冷芯盒”制

29、芯技術的應用,使制芯生產率和砂芯尺寸的可預見性得以提高,精確砂芯組芯造型(即精確砂型) 一定程度上取代常用于生產鑄鐵及鑄鋁汽車件的粘土砂型及金屬型。德國Alucast 鑄造廠采用1 種獨特的方法來進行冷芯盒砂芯的組裝。先制好的1 底盤砂芯滯留在第1 套芯盒的下芯盒內。該底盤砂芯的下芯盒就作為輸送“夾具”逐次通過生產線上的每1臺射芯機,利用芯盒上精確的定位銷、套系統進行自動砂芯裝配(圖5) 。每臺射芯機生產相應的1 層砂芯,除第1 臺射芯機外,其余的射芯機皆將制造的砂芯滯留在上芯盒中,以便進行由上而下的組裝。 圖 5 自動砂芯裝配圖 2.3.2 成型工藝的選擇針對本次設計選擇高壓鑄造技術，缸體壓

30、力鑄造的實質是在高壓作用下，使液態或半液態金屬以較高的速度充填壓鑄模具型腔，并在壓力下快速成型凝固，以獲得優質鑄件的高效率鑄造方法。它的基本特點是高壓(5-150MPa)和高速(5100m/s)。充填時間很短，一般在0.010.2s范圍內。壓鑄的主要特點是生產率高，平均每小時可壓鑄50500次，可進行半自動化或自動化的連續生產。產品質量好，尺寸精度高，強度比砂型鑄造高20-40。但壓鑄設備投資大，制造壓鑄模費用高、周期長，只宜于大批量生產。生產中多用于壓鑄鋁、鎂及鋅合金。與其它缸體鑄造方法相比，缸體壓鑄有以下三方面優點：首先是產品質量好。缸體鑄件尺寸精度高，一般相當于67級，甚至可達4級；表面

31、光潔度好，一般相當于58級；強度和硬度較高，強度一般比砂型鑄造提高2530，但延伸率降低約70；尺寸穩定，互換性好；可壓鑄薄壁復雜的鑄件。例如，當前鋅合金壓鑄件最小壁厚可達O.3mm；鋁合金鑄件可達0.5mm；最小鑄出孔徑為0.7ram；最小螺距為075mm。 其次是生產效率高。例如國產J3型臥式冷空壓鑄機平均8h可壓鑄600700次，小型熱室壓鑄機平均每八小時可壓鑄30007000次。壓鑄模具壽命長，一套壓鑄模壓鑄鋁合金，壽命可達幾十萬次，甚至上百萬次。 第三，經濟效果優良。由于缸體壓鑄件尺寸精確，表面光潔等優點。一般不再進行機械加工而直接使用。所以既提高了金屬利用率，又減少了大量的加工設備

32、和工時。既節省裝配工時又節省金屬。2.4 發動機缸體工藝、工裝2.4.1 鑄造工藝方案 正確的澆注位置應能保證獲得健全的鑄件。選擇鑄件的澆注位置，應注意以下原則：(1) 鑄件的重要加工面、主要受力面、寬大平面應朝下，如果不能朝下，可將其側立或斜置。(2) 對于厚薄不均勻的鑄件，應將其厚大部分朝上，以利于冒扣補縮，實現定向凝固。(3) 對于薄璧鑄件，應將薄而大的平面朝下，有條件時，應側立或傾斜，以避免冷隔、澆不到等缺陷。(4) 應盡量減少砂芯的數量，少用吊芯、懸臂或芯撐，以利于砂芯在鑄型中的安放牢固、定位準確、排氣通暢、檢驗和合型方便。(5) 鑄件的合型、澆注、冷卻位置一致為宜，以免鑄型在翻轉過

33、程發生錯位或損壞。(6) 鑄件的澆注位置應方便造型、下芯及合箱；便于型重要尺寸的檢查，并盡量簡化操作過程，降低鑄件的制造成本，提高勞動生產率。鑄型分型面應考慮一下幾個原則：(1) 應盡可能將鑄件的全部或大部分放在下砂箱內。(2) 盡量把鑄件的加工定位面和主要加工面放在同一砂箱內，以減少加工定位的尺寸偏差。(3) 盡量減少分型面數量，以簡化造型操作，提高鑄型操作，提高鑄型精度。(4) 為便于合箱和檢驗砂芯，應盡量使基本砂芯位于下鑄型。(5) 盡量采用平直的分型面，以減少制造模樣等工藝裝備的工作量。2.4.2 模具的設計 模具采用六面抽芯的結構，主要由定模、動模、成型、澆注系統、抽芯機構、頂出機構

34、、排氣系統、加熱保溫裝置和定位導向系統等幾部分組成。發動機缸體模具工作流程見圖6 圖6 模具工作流程圖2.5 發動機缸體的加工流程發動機缸體的加工流程如下所示：制芯工藝組芯工藝造型工藝下芯工藝熔煉澆注工藝澆注系統設計工藝參數的選定落砂、清理及檢測2.5.1.制芯工藝采用Z8025射芯機熱芯盒法制作缸筒芯，將射砂口設置在缸筒方向，為了減輕缸筒芯的重量，減少砂芯發氣量，便于砂芯排氣，利用下頂芯機構，設置了減重模，從曲軸室方向對砂芯進行抽空，盡可能地減少砂芯的重量，這樣既減少了砂芯的發氣量，又方便設置砂芯的排氣通道；用Z8040射芯機熱芯盒法制作水套芯，用Z8612射芯機熱芯盒法制作油道芯；用2ZZ

35、8625射芯機熱芯盒法制作端芯、澆道芯和定位芯，利用其上下分模的結構，將砂芯的背部減空，這樣既減少了覆膜砂的用量，又減少了砂芯的發氣量，同時增大了砂芯的排氣通道。砂芯制出、修整好后，先浸(刷)水基石墨涂料，然后再經紅外線烘干爐烘干(烘干溫度170180，烘干時問50-60 min)。出爐后，等待澆注時間原則上不超過8 h，避免水基石墨涂料吸潮而增大砂芯的發氣量。2.5.2.組芯工藝由于覆膜砂芯表面致密，內部較疏松，為了確保水套芯排氣通暢，采取組芯前，先在工藝水孔處芯頭上鉆出少6 mm通氣孔的方法來排氣。為了保證鑄件缸筒和水套的壁厚均勻，首先將水套芯、油道芯和定位芯在專用夾具上組合在一起，采用熱

36、熔膠粘接，然后再與缸筒芯和端芯進行組合，二次組合不用粘接，而靠砂芯芯頭相互定位，這樣易于更換，避免因個別砂芯損壞而造成砂芯整套報廢。2.5.3.造型工藝采用氣沖生產線造型，生產節拍設置為40箱l，氣沖壓力設定為05 MPa，確保砂型的緊實度，避免澆注時沖砂。為了提高生產效率，結合砂箱尺寸，采用了一箱兩件的工藝。另外，氣沖造型線的分型方式為水平分型，因此要求工藝必須設置為臥澆工藝，而使用的型砂為濕型砂。為了保證砂刑的排氣性能，造型后將所有的排氣孔全部引穿。砂型必須經吹掃干凈、檢查合格后方可進入下芯工序。2.5.4.下芯工藝為了保證鑄件的整體精度，將組合好的砂芯放在下芯胎具上，利用下芯胎具對砂芯的

37、組合質量進行檢查，然后用專用下芯吊具將砂芯下入砂型中。為了確保下芯過程的平穩性，對下芯吊具進行了專門設計，設計為三層框架結構，保證下芯吊具與下芯胎具定位準確后，吊具才能抓取砂芯，下芯吊具與砂箱定位準確后，砂芯再下人砂型內，確保了砂芯在砂型內的位置準確無誤，從而保證了鑄件整體的尺寸精度。2.5.5.熔煉熔煉工藝的基本要求是：盡量縮短時間，準確的控制化學成分，盡可能減少熔煉燒損，采用最好的精煉方法以及正確的控制溫度，以獲得化學成分符合要求，且純潔度高的熔煉。根據鋁合金不同，嚴格控制化學成分及雜質含量進行配料計算，每一爐料所需的電解鋁液、中間合金及廢料裝入矩形天然氣熔鋁爐中進行快速融化后，經扒渣、電

38、磁攪拌，取樣分析鋁液的化學成分進行調整。成分合格與溫度符合工藝要求的鋁液，轉入傾動式保溫爐對熔體進行精煉、靜置、扒渣、調溫。鋁液再經晶粒細化裝置細化晶粒和在線精煉過濾裝置除氣、過濾后，導入液壓半連續鑄造機進行鑄造。2.5.6.澆注系統設計1 澆注系統類型的選定由于中注式澆注系統具有沖型平穩，鋁液對砂芯的浮力較小，抗氣孔、夾渣能力強，抗縮松(孔)、滲漏能力強的特點，且內澆道在軸承座處，該處全部是砂芯形成，強度較好，澆注時不會發生沖砂現象，且采用臥澆工藝時水套芯在澆注過程中所受的浮力較立澆工藝大。而發動機缸體要求水壓、氣壓滲漏檢查，要求水套、缸簡壁厚均勻，內部無鑄造缺陷，組織均勻。2 澆注系統和溢

39、流冒口的結構設計由于砂芯均采用覆膜砂，整體發氣量大，因此外型排氣系統必須以大排氣為原則。為了保證水套芯產生的氣體順利排出，在外型工藝孔處設置了出氣針與水套芯內設置的排氣通道相通，為防止鋁液從芯頭配合處鉆人砂芯內的排氣通道，在關鍵部位安放了封火墊。為了便于缸筒芯、端芯、定位芯產生的氣體順利排出，我們在外型的四角設置了較大的出氣棒直接通出砂型外。2.5.7.工藝參數的選定為了保證砂芯產生的氣體能夠及時、順利地排出，同時保證充型平穩，避免卷氣，又考慮該產品為合金鑄鐵，為確保鐵液的充填能力，同時減短水套芯受高溫烘烤的時間，避免水套芯變形，保證鑄件壁厚均勻，防止產品滲漏。2.5.8.落砂、清理及檢測缸體

40、鑄件澆注后在砂型內的冷卻時間應視鑄件大小而定一般設計都是在型內冷卻115h后再開箱落砂，小缸體也有縮短到45min的。過早開箱落砂。缸體鑄件易開裂；鑄件在型內冷卻時間過長，會使鑄件硬度降低。鑄件落砂后，最好用機械手將其抓進料箱內繼續冷卻一段時間再進行二次落砂。這樣做的好處是既能防止鑄件開裂，有利于應力消除又可避免砂芯混入舊砂中惡化型砂性能。缸體二次落砂十分必要，否則水套內砂芯很難落干凈，將影響清潔度和通水效果。缸體鑄件一般進行兩次拋丸清理：第一次拋丸，將外表面、曲軸箱面拋打干凈；第二次用鼠籠拋丸機進一步將內腔拋打干凈。為保證表面粗糙度要求，除應選用大功率拋丸室保證拋丸效果外還應選用O.81.5

41、mm的細鋼丸。汽車缸體鑄件一般均采用專用清理磨床磨削前后端面、頂面、底面的毛刺、澆道及通氣針殘余，并用人工修整曲軸箱內毛刺和清理水套內的雜質。具體過程如圖7：圖7 缸體清洗流程圖鑄件需要經過一定的機加工才能成為產品圖。可以用數控機床進行加工。對于圓孔可以用車床進行加工。2.6 質量控制2.6.1 原材料的選擇選擇金屬基復合材料作為此次設計的材料主要考慮有以下的特點： （1）高的比強度、高的比模量； （2）導熱、導電性能好； （3）熱膨脹系數小、尺寸穩定性好； （4）良好的高溫性能； （5）耐磨性好； （6）良好的疲勞性能和斷裂韌性； （7）不吸潮、不老化、氣密性好。而又由于汽車的輕量化要求故選

42、擇鋁基復合材料。復合材料的選擇性能與基體、增強體、界面、增強體在基體中的分布，體積分數等都有很大的影響。基體決定了復合材料的最基本的性能，增強體可以改善基體的性能。體積分數的大小對材料的性能的影響也很明顯，在實際的發動機缸體生產中，增強體的用量還不是很大。改善其顆粒在基體中的分布的解決的方法有： （1）對增強體進行適當的表面處理，使其浸漬基體速度加快； （2）加入適當的合金元素改善基體的分散性； （3）施加適當的壓力，使其分散性增大。 （4）施加外場(磁場,超聲場等)2.6.2 成型工藝的控制 鑄造中的主要缺陷有：(1) 氣孔缸蓋的氣孔缺陷是所有機型的氣缸蓋在生產中所共存的較為嚴

43、重的問題，在實際生產中，造成氣孔缺陷的主要因素有： 芯子的排氣不良： 型腔排氣不充分： 澆注溫度較低： 澆注時氣體卷入； 涂料發氣量太大。合理控制氣孔缺陷的措施有： 增強模型的排氣； 液態金屬去氣后應立即澆注，不可停留過久，以防再吸氣； 快速凝固，使氣體來不及析出； 使液態金屬在壓力下凝固； 在鑄型內安放過濾片以除去金屬液中的渣和氣體； 涂料的發氣量要低，且施涂后一定要充分干燥。(2) 砂眼砂眼也是缸體、缸蓋鑄件的常見缺陷，多見于鑄件的上型面，也有在缸筒內表面經加工后暴露出來的。原因:(1) 澆注系統設計不合理；(2) 型砂系統管理不善，型砂性能欠佳；(3) 型腔不潔凈；(4) 砂芯表面狀況不

44、良或是施涂與干燥不當。對策:(1) 就澆注系統設置方面來說，為避免或減少砂眼缺陷，應注意以下事項： 要有合理的澆注速度。截面太小，則澆注速度太慢，鐵液上升速度太慢，上型受鐵液高溫烘烤時間長，容易使型砂爆裂，嚴重時會成片狀脫落。澆注系統的截面比例，應使鐵液能平穩注入，不得形成紊流或噴射； 盡量使鐵液流經的整個通道在砂芯內生成，通常芯砂(熱法覆膜砂或冷芯砂)較之砂型粘土砂更耐高溫鐵液沖刷。而直澆道難以避免設置在粘土砂砂型中通過，這時可在直澆道與橫澆道搭接處設置過濾器(最好是泡沫陶瓷質)，可以將鐵液在直澆道內可能沖刷下來的散砂和鐵液夾渣加以過濾，減少砂眼和渣眼； 澆道是變截面的，因此變截面處應盡可能

45、圓滑光潔，避免形成易被鐵液沖垮的尖角砂； 澆道的截面比例宜采用半封閉半開放型式，以降低鐵液進入型腔時的流速與沖擊，而內澆道位置應盡可能避免直接沖擊型壁和型芯，且呈擴張形為好。(2)為防止砂眼缺陷，型砂方面的主要措施是： 控制微粉含量。型砂在反復使用中，微粉含量會越來越高，這會降低型砂的濕壓強度，水分及緊實率則會提高，使型砂發脆； 澆注時砂芯潰散后混入舊砂，未燃盡的殘留樹脂膜會使型砂的韌性變差，產生砂眼的可能性也增大。為此需要改善型砂的表面穩定性，降低脖陛、提高韌性，方法是在型砂中添加適當的d淀粉，也有的改用F's粉，均可取得良好的效果，也可以在型腔表面噴灑增強劑。(3)在造型、翻箱，特

46、別是下芯、合型等各環節容易將砂粒掉入型腔，而又未能清理干凈，極易造成鑄件砂眼缺陷。為此，一是要選取恰當的芯頭間隙和斜度并保證下芯和合型的工裝精度，以免碰壞砂型或損壞型芯而將砂粒散落在型腔內；二是合型前清理干凈型內可能掉人的砂粒(抽吸法好于吹出法)。(4)不能忽視的是，砂芯的飛邊毛刺要清理干凈，上涂烘干后待用的砂芯表面的砂粒灰塵也要吹凈，否則容易被鐵液沖刷并富集在鑄件某處形成砂眼。同時，需要強調的是，砂芯上涂不能太厚，尤其是當工藝要求個別砂芯的個別部位或全部兩次浸滲涂料時，必須等第一次上涂料干燥到一定程度后才能上涂第二層，否則澆注澆注時過厚的涂料會爆裂而形成夾砂(渣)。(3) 脈紋通常在鑄件的內

47、表面或熱節部位，如缸體缸蓋的水套腔內，或是進排氣道內，由于澆注時高溫鋁液的作用，使砂芯硅砂發生相變膨脹在砂芯表面產生裂縫，液體金屬滲入其中，從而導致鑄件形成飛翅狀凸起的缺陷，即“脈紋”。脈紋一旦出現，難以清理。當水套腔內有脈紋時，輕者會影響內腔的清潔度，重者會影響冷卻水的流量，從而降低對發動機的冷卻效果，甚至會引起“燒缸”、“拉缸”嚴重后果；當氣道內出現脈紋時，會影響氣道渦流特性，最終影響發動機的整機工作性能。生產實踐表明，冷芯工藝產生脈紋的傾向要稍大于殼芯產生脈紋的傾向。原因:(1) 如上所述，產生脈紋的根本原因是高溫鐵液作用于砂芯引起硅砂的膨脹裂紋；(2) 砂芯材料不具備低膨脹的性能，或者

48、其自身不能吸收這種受熱產生的膨脹；(3) 砂芯的韌性或高溫強度不足以克服膨脹應力，導致產生裂紋；(4) 所用涂料不能抵御砂芯在高溫下產生膨脹裂紋；(5) 鐵液未能在砂芯產生裂紋前凝固結殼，從而產生脈紋。解決方法:(1) 在保證能得到健全鑄件而又不產生氣孔等缺陷的鐵液充型溫度下，盡可能采取較低的澆注溫度以減輕砂芯受熱膨脹的程度；同時采用較快的澆注速度，以避免砂芯長時間受到高溫烘烤可能產生的膨脹裂紋；(2) 用于易產生脈紋砂芯(如水套芯、進排氣道芯)的芯砂原砂預先進行消除相變膨脹處理，或者在砂芯材料中添加一些輔助材料，降低砂芯材料的熱膨脹率；再就是原砂的顆粒組成以三篩或四篩級配，以求砂芯材料能自身

49、吸收膨脹變形；(3) 必要時，在砂芯材料中使用一定比例的非石英系列砂(如橄欖石砂、鋯英砂等)，它們的膨脹率極小，而且導熱性好，使鐵液結殼時間早于砂芯相變膨脹開裂時間； (4) 提高砂芯材料的韌性和高溫強度；(5) 使用強度、韌性優良，且導熱性能好的燒結型涂料，以增強砂芯表面抗膨脹裂紋的能力。以上這些措施既適用于冷芯砂，也適用于熱法覆膜砂(殼型砂)。由此看出，預防或減覆膜砂(殼型砂)。由此看出，預防或減少脈紋缺陷的主要措施是改善砂芯膨脹性能。(4) 滲漏滲漏是指缸體、缸蓋在壓力試驗(水壓氣壓)時的泄漏現象，多發生在水套腔或是油道腔。引起滲漏的原因有夾雜和疏松兩大類。實際生產中，缸蓋滲漏的主要是由

50、缸蓋件在凝固過程中產生的收縮缺陷引起的。缸蓋鑄件結構復雜，壁厚差別較大，在鑄件在凝固過程中，由于合金的液態收縮和凝固收縮，補縮不足，會在鑄件最后凝固的部位出現孔洞。造成收縮缺陷的原因有： 鑄件壁厚不均勻； 澆注溫度偏高； 金屬液收縮傾向較大； 金屬型澆注系統設計不合理。針對滲漏缺陷產生的原因，比較常見的控制方法有： 在不影響鑄件工作要求的情況下，適當改變鑄件結構； 對局部熱節處應采用強制冷卻，如設置冷卻系統、放置冷鐵和噴涂料等； 采用合理的充型速度、澆注溫度及型溫； 設計合理的補縮系統(如冒口、補襯等)。 工藝參數的控制 （1） 壓力的影響壓力大小對鑄件的物理力學性能、鑄造缺陷、

51、組織、偏析、熔點及相平衡等都有直接影響。所以確定成形必須的單位壓力是很重要的。如果比壓過小，鑄件表面與內在質量都不能達到技術指標；比壓過大，對性能的提高不十分明顯，還容易使模具損壞，且要求較大合模力的設備。擠壓鑄造試驗是在2000kN油壓機上進行的。適合于鋁合金壓力鑄造的比壓應在5060MPa范圍內選取。（2）加壓的時間 在發動機缸體壓力鑄造的過程中，其加壓開始時的間隔時間過長，加壓時間控制在30ms以內，鑄件的強度及伸長率降低，合金液無法在壓力凝固，易造成氣孔縮松。（3）加壓速度擠壓鑄造要求一定的加壓速度，在可能情況下，以加壓速度快一點為好。加壓速度快，則凸模能很快地將壓力施加于金屬上，便于

52、成形、結晶和塑性變形。但也不宜過快，否則會使部分合金熔液的表面產生飛濺及渦流，使鑄件產生缺陷，以及在凸、凹模之間的間隙中流出過多的合金熔液，形成難以去除的縱向毛刺。因此，必須使凸模緩慢地壓入液態金屬中。由于使用的油壓機工作進給速度較慢，故利用工作行程的速度進行壓制。鋁基復合材料制成的發動機缸體的加壓速度應該控制在2530ms。（4）保壓時間壓力保持時間主要取決于鑄件厚度，在保證成形和結晶凝固條件下，保壓時間以短為好。但是保壓時間過短，則鑄件內部容易產生縮孔，如果保壓時間過長，鑄件溫度低，收縮大，抽芯和頂出鑄件時的阻力大，不僅出模困難，同時容易引起鑄件開裂，同時會延長生產周期，增加變形抗力，降低模具使用壽命。保壓時間按照每lmm壁厚需要3s時間計算，從產品圖中可以知道壁厚為5mm,故其保壓時間應在15s左右。（5 ）模具預熱溫度模具若不預熱，合金熔液注入型腔后會很快凝固，導致來不及加壓；但預熱溫度也不能過高，否則會延長保壓時間，降低生產率，同時也不利于噴涂潤滑劑。對本次設計的鋁基復合材料預熱溫度為150-180，通常是用煤油噴燈進行加熱。在生產過程中，模具溫度對產品和模具壽命影響