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汽车铝合金缸体缸盖铸造工艺研究现状
发布时间:2017-09-05        浏览次数:4        返回列表
  随着人们对环境的日益重视以及能源的紧缺,汽车轻量化已经是大势所趋。采用铝合金零件替代钢铁零件是降低汽车重量的有效措施,同一零件采用铝合金要比铁合金质量轻65,因此增大铝合金在汽车上的应用已经成为汽车零部件发展的主要趋势。缸体缸盖是汽车最重要的部件,同时也是汽车上最重的铸件,因此采用铝合金压铸件生产缸体缸盖可以在一定程度上减少汽车的重量。如今几乎所有的轿车缸盖和大部分轿车缸体采用铝合金生产。
  但是,由于缸体缸盖具有结构复杂、强度高、形状复杂且尺寸精度要求高、工作条件恶劣等特点,因而铝合金缸体缸盖铸件的合格率普遍比较低。如今,随着发动机效率的不断提高,发动机的内部构造变得越来越复杂,发动机的技术要求也变得越来越高。因此,如何提高缸体缸盖的制造水平是当今铝合金缸体缸盖铸造的重要课题。
  一、缸体缸盖铸造工艺
  1、金属型铸造
  金属型铸造工艺是铝合金缸体缸盖铸造的传统工艺。该铸造方法具有铸件冷却快、组织细密、力学性能高等优点,其铸件质量明显高于砂型铸造。但是金属型不透气、无退让性,易产生气孔、裂纹、浇不足等缺陷。因此在采用金属型铸造时须合理设计浇注系统以避免缺陷的产生。其次,金属型制造成本高、周期长,因而不适合单件、小批量生产。
  该工艺主要应用于简单的缸体缸盖铸造。一般缸体缸盖的外形采用金属型,而内腔采用砂芯,这样使得金属型铸造缸体缸盖简单便利且工艺灵活。德国奔驰汽车公司麦庭根铸铝厂采用Mecanasa公司制造的12工位金属型铸造机,年产量达到12000t气缸体。在国内,天津市汽车发动机制造厂早在1987年便自行设计制造了铝合金汽缸盖自动金属型铸造机组,并投产。此外如一汽和上海大众等企业也采用金属型重力铸造大量生产缸盖。
  2、压力铸造
  压力铸造(简称压铸)是在高压作用下,使液态或半液态金属以较高的速度充填压铸型型腔,并在压力下成型和凝固而获得压铸铝件的方法。它是铸造业中一种先进的有色合金精密成型技术。在产品向精密化、轻量化、节能化和绿色化制造的发展趋势中,它是轿车用铝缸体缸盖最广泛、最普遍采用的方法之一。
  高压铸造具有铸件尺寸精度高、表面光洁度好、机械加工余量小、废品率较低、铸件一般不需要热处理、生产效率高等优点。但是压铸中,金属也一般在55~120MPa的压射比压下充型,故而型芯只能采用金属型芯,所以它不能铸造出复杂内腔的零件,只能铸造开舱结构的缸体。同时由于金属液流速高,在浇注过程中极易卷入气体而产生气孔。所以在压铸中对射压及金属液的流速应该严格控制。
  国外宝马、雷诺、通用、本田等企业在上世纪90年代已经开始大量使用压铸机进行铝合金缸体缸盖铝压铸件的生产。国内,广州东风本田发动机公司在2001年从日本宇部引进了国内第一条压铸生产线。该生产线使用25MN压铸机,产品不良品率控制在5%以内。
  3、中压铸造
  随着发动机功率及效率的提高,轿车发动机缸体变得越来越复杂,此时压铸的缺点变得更加明显。为解决压铸不能使用砂芯的缺点,日本Toukei公司通过对压铸的改进,提出了新的铸造方法一中压铸造。该铸造方法是压射比压从压铸的55~120MPa降低到5~30MPa,从而使中压铸造能够使用砂芯,使其能够铸造出复杂内腔结构的缸体。
  4、低压铸造
  低压铸造是介于重力铸造和压力铸造之间的一种铸造方法。铝液在很低的压力(约30kPa)下由下而上充填型腔,通常采用金属型和砂芯,可以获得闭舱结构的缸体。
  低压铸造具有铸造材料利用率高,充型平稳且充型速度便于调节,容易形成方向性凝固的特点,铸件内部缺陷少,可以获得完美铸件,使用砂芯可以铸造出复杂内腔结构的零件。但是低压铸造生产周期长,生产率低。虽然充型时间仅需10~15s,但保压时间需3~6min,整个生产循环达10~11min。
  该铸造方法生产效率低,并且废品率很高,因而只有少数企业采用该铸造方法铸造缸体缸盖。国外通用和奔驰汽车公司采用该铸造方法生产内腔结构复杂的6缸或8缸的发动机缸体。
  5、消失模铸造
  消失模铸造的基本原理是采用与所需铸件形状完全相同的泡沫塑料模(该模已考虑铸件的收缩率),将其代替铸模进行造型,泡沫模样不取出,呈实体铸型,浇入金属液使其气化后形成铸件。
  与传统砂型铸造相比,消失模取消了混砂制芯等工序,缩短了生产周期;铸件加工余量小,壁厚均匀度高。但是消失模工艺复杂,生产线价格较贵,前期投入成本较高,因而使用受到了一定限制。消失模铸造的优越性主要体现在复杂结构铸件的大批量生产,批量越大,铸件越复杂,其优越性和经济效益就越高。如美国通用公司萨金诺铸造厂采用5条消失模制模线,5台预发泡机,29台成型机,年产量在2002年达到了50万件铝缸体和50万件铸铝件缸盖。国内目前还仅仅处于小批量的试制阶段中,并且与国外先进水平差距明显。
  6、Cosworth法
  Cosworth法,即冷芯盒砂芯组芯造型。它是一种精确锆英树脂自硬砂的组芯造型,在可控气氛、压力下充型的铸造工艺。该铸造方法与低压铸造相似,它们的不同在于:①砂芯采用锆砂,其膨胀率很小且恒定,有利于获得尺寸精度高的铸件;②使用电磁泵代替气压为金属液的上升提供动力,这样就可以用电脑精确控制金属液的浇注,使金属液充型平稳;③铝液是在保护性气体下熔化、精炼、浇注,很少接触到大气,避免了铸渣的形成以及金属液的吸气。因而和前面几种铸造方法相比,该铸造方法更容易得到质量较高的铸件。但是由于锆砂的导热性极好,因而较难浇注出壁厚小于4mm的铝铸件。
  Cosworth法最初应用于铸造一级方程式赛车用发动机缸体缸盖,以及航空铸件的小批量生产。在20世纪80年代初期福特公司通过对该技术的改进,使其符合大批量生产,并建立了采用该技术进行生产的全自动铸铝厂,该厂具备年生产89万件的生产能力,其得到的铸件成品率稳定在90%以上。目前除福特厂外,还有德国Alcast铸造厂、墨西哥Casttech铸造厂(该厂主要为通用汽车生产)采用该技术生产缸体缸盖,不过它们主要用于生产V-6、V-8型缸体缸盖。
  二、总结及展望
  铝合金缸体缸盖铸造工艺的选择不仅仅是为了铸造出高质量的铸件,而且需要与工厂自身生产条件和生产的缸体缸盖结构相结合。目前大多数缸盖采用的是金属型铸造和低压铸造,而简单缸体的生产绝大多数采用的是高压铸造,对于内腔结构比较复杂的缸体一般采用消失模铸造和Cosworth法。
  压铸由于效率高、铸件质量较好、效益高等优点,因此至今后很长一段时间内它将仍然是生产简单缸体的主流生产工艺;而低压铸造则是生产缸盖的主要生产工艺。但是,随着科技的发展,由于Cosworth法所使用的设备价格将逐渐降低,其铸造工艺将会进一步改善;同时,随着消失模工艺的发展和改进,很显然Cosworth法和消失模工艺必将是未来发展的主流工艺。
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