汽车发动机缸体消失模铸造技术

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1、汽车发动机缸体缸盖消失模铸造技术的研究与应用【摘要】为了降低发动机单位功率的重量指标、油耗指标及尾气排放指标，我们研究并开发了消失模铸造直列四缸二气门下置凸轮柴油机缸体、缸盖产品。通过优化设计产品结构工艺、铸造环节流程工艺和铸铁材料性能，使每台套缸体、缸盖消失模铸件产品与普通砂型铸件相比，技术性能指标达到设计要求，生产成本大幅下降。   一、概述   发动机缸体、缸盖的制造水平是衡量一个国家制造业水平的重要标志之一，在很大程度上代表了一个国家汽车工业的发展水平。不断提高发动机功率，降低燃油消耗量和减少尾气排放是汽车工业自身发

2、展的内在需求，也是外部环境的客观要求。铝合金材料的选用使发动机乃至整车的重量得到了有效减轻，促进了汽车工业的发展。但是，汽车技术的进步对原材料、能源的节约和环境保护提出了更高的规范要求，使发动机的比功率(kW/排量·L)越来越大，导致发动机缸体、缸盖的工作温度普遍提高，许多局部区域工作温度已经超过了200℃(正常工作温度为105℃左右)，一方面，铝合金的力学性能会下降很快，显得不堪重负；另一方面，如此的高温使机油的润滑和导热作用变弱，而铸铁材料在此温度下仍然能正常工作并表现出优异的性能。   目前，解决铝合金在高温及常温下力

3、学性能不高的措施，是在缸体、缸盖连接螺栓处和缸体与轴承盖连接螺栓处进行镶铸灰铸铁，以加固螺纹件或灰铸铁连接板。这样做，一方面增加了铸造的技术难度和零部件的重量，使制造成本上升；另一方面由于铝合金与灰铸铁的膨胀系数有差别，所以在发动机工作情形下容易产生疲劳裂纹和镶铸件的松动缺陷。   纵观铸造产品成形的全过程，铝合金的耗能要比铸铁高；而铸铁产品的防振能力、自润滑能力和高温力学性能远大于铝合金。因此可以预见，普通灰铸铁、高牌号孕育铸铁、合金铸铁、蠕墨铸铁和球墨铸铁等材质的汽车零部件将越来越多地受到人们的重视。尤其是蠕墨铸铁件，作

4、为一种发动机新材料，蠕墨铸铁与普通灰铸铁相比，抗拉强度提高了约75%，弹性模量增加近40%，疲劳强度几乎是灰铸铁的2倍，用蠕墨铸铁取代灰铸铁生产的发动机缸体至少可减轻重量10%，同时大大降低了疲劳变形和柴油机的污染物排放量。国外已在大功率柴油机发动机件上普遍采用蠕墨铸铁材料，其具备接近球墨铸铁的强度，有类似普通灰铸铁的防振、导热能力及铸造性能，且又较普通灰铸铁有更好的塑性和耐疲劳性能。总之，从目前合金材料的实际应用看，铸铁件的力学性能与高温性能可满足汽车发动机未来发展的要求。   消失模铸造的基本原理是采用与所需铸件形状完全

5、相同的泡沫塑料模，并加合金收缩率后代替铸模进行造型，泡沫模样不取出呈实体铸型，在浇入金属液使其气化后形成铸件。   与传统的砂型铸造相比，消失模铸造具有以下优点：   (1)取消了混砂、制芯工序，省去了传统造型工序中分箱、起模、修型、下芯及合箱等操作，大大简化了落砂、铸件清理及砂处理工序，因而缩短了生产周期。   (2)一方面由于在负压下铸型刚度大，铸铁件易于实现自补缩，从而减小铸件所需的冒口尺寸；另一方面由于泡沫模型簇的组装自由度大，易于实现一型多件浇注成形，提高了工艺出品率。   ( 3)消失模铸件机械加工余量小(2.5

6、～3.5mm)，壁厚均匀度高，孔径大于7mm的内部型腔都可以直接铸出，铸件重量同比普通砂型铸件减轻8%～12%。   (4)消失模造型干砂中无需粘结剂和添加物(煤粉、膨润土、水)，既节约了大量的原材料，又有利于旧砂循环使用，减轻环境污染。   安徽全柴集团有限公司于1994年从美国引进了一条完整的消失模铸造生产线和相关的生产技术，包括预发泡机、制模机、胶合机、机械手、干砂造型和负压浇注生产线，经过10余年的消化吸收与艰苦探索，先后自主研究开发了两大系列7个品种的消失模铸造普通灰铸铁和高牌号孕育铸铁柴油机零部件产品。   本文

7、重点介绍直列四缸二气门下置凸轮柴油机缸体、缸盖消失模铸造工艺的关键技术与应用状况。   二、泡沫模型结构工艺设计   汽车发动机缸体、缸盖消失模泡沫模型的结构复杂系数为一级，在实际生产过程中很难将其一次性发泡成形。我们参照零件的自身结构和消失模铸造工艺特点,将产品泡沫模型进行分片处理，并对每个模片进行结构工艺设计，以利于发泡成形。每个产品泡沫模型分片数量的多少及模片结构工艺设计的优劣，直接关系到消失模铸造工艺项目的成败和生产效率的高低。1.发动机缸体泡沫模型结构工艺设计   (1)目前，国内外在柴油机和汽油机发动机缸体的泡沫

8、模型的结构工艺设计上有较大差异，从分片方案到模片的工艺处理均不尽相同。欧美国家在分片方案上多采用自缸盖结合面至油底壳面水平切分(包括“V”形和直列式缸体)的方式，如图1所示。这种分型方案的优点是有利于实现自动化大批量生产，且胶合线互不干涉，胶合质量有保证；不足之处是胶合线较多且大部分分布在