34车发动机铝合金缸体和缸盖的铸造技术

发布时间：2016-10-09 14:23

本文关键词：轿车发动机铝合金缸体和缸盖的铸造技术，由笔耕文化传播整理发布。

轿车发动机铝合金缸体和缸盖的铸造技术；清华大学吴浚郊１；摘要：从世界范围看．轿车工业是铸造工业的最大用户；ｌ、压力铸造（圈１）；压力铸造的优点是能生产尺寸精度高、表面光洁度好、；（１）在压室和压型中采用真空；；（２）采用更科学、更合理的浇注系统；；（３）采用半固态金属来代替液态金属；它们都在不同程度上取得了成效；对于缸体生产来讲，压力铸造的另一局限是由于压射

轿车发动机铝合金缸体和缸盖的铸造技术

清华大学吴浚郊１

摘要：从世界范围看．轿车工业是铸造工业的最大用户，同时也是铸造技术进步的～个主要推动力。为了降低燃料消耗、减少环境污染，轿车铸件朝着轻量化、精确化、强切化和复合化方向发展。国外正在研究３ｍｍ壁厚的灰铸铁缸体．３ｒａｍ壁厚的耐热合金钢排气管和２０～２．５１１１１１１壁厚的球墨铸铁件。而扩大铝台金的应用是轿车工业的重要发展趋势，国外汽车材料铝合金用量以每年ｌ∞‘的速度递增。目前几乎全部轿车缸盖已采用高强度铝合金生产，预计有更多的缸体也将采用铝台金生产。生产优质的精确成形铸件（Ｎｅｔｓｈａｐｅｃｏｓｔｉｎｇｓ）是各国汽车铸件生产厂的共同目标。为此，除原有的精确铸造成形技术不断有所改进外，也开发了多种新的铸造技术。本文介绍世界若干主要的轿车制造厂所采用的生产铝合金发动机缸体和缸盖的铸造技术。关键词：轿车发动机、铝合金、缸体和缸盖、铸造技术

ｌ、压力铸造（圈１）

压力铸造的优点是能生产尺寸精度高、表面光洁度好、壁厚薄的铸件。但是，因充填型腔的铝液流速高而引起的紊流将空气和氧化膜卷进铸件结构中，使铸件的内部致密性差。这个问题现在从以下途径来解决：

（１）在压室和压型中采用真空；

（２）采用更科学、更合理的浇注系统；

（３）采用半固态金属来代替液态金属。

它们都在不同程度上取得了成效。

对于缸体生产来讲，压力铸造的另一局限是由于压射比压高（５５～１２０Ｍｐａ）须采用金属型芯，只能铸出开舱结构的缸体（图２）。与开舵结构相比，闭舱结构的缸体具有更大的刚性，后者即使在发动机功率增大时能降低噪声和振动水平。

德国Ｄａｉｍｌｅｒ．ｃｈｒｙｓｌｅｒ公司、及法国Ｒｅｎａｕｌｔ公司等采用压力铸造生产铝缸体。昊泣郊清华太学机械制造工程系，北京１０００８４

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图１图２

２，中压铸造

日本Ｈｏｎｄａ本田汽车公司及Ｔｏｕｋｅｉ公司分别研发了新压铸法（图３）及中压压铸法（图４ｊ用于生产铝缸体。两者皆可采用砂芯从而可生产具有闭舵结构的缸体。

压力铸造的压射比压是５５～１２０Ｍｐａ，而中压铸造仅为５～３０Ｍｐａ。

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图３图４

３，，低压铸造

低压铸造是铝液在很低的压力（＂－０．０３Ｍｐａ）下由下而上地充填型腔（图５）通常采用的是金属型和砂芯，因此可以获得闭舵结构的缸体。

这种方法的缺点是生产率低，因为虽然充型时间一般仅需５一．１５秒，但保压时间则需３～６分钟，整个生产循环达１０ｂｌ１分钟。在大量生产轿车缸体、缸盖时，就需要多台机器和多套模具。美国福特公司用此法生产铝缸盖。日本Ｔｏｙｏｔａ丰田公司采用类似于低压铸造的真空吸铸法（图６）生产铝缸体。

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图５

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图６

４、金属型铸造

金属型铸造主要用于生产铝缸盖及简单的铝缸体。

德国Ｄａｉｍｌｅｒ—Ｃｈｒｙｓｌｅｒ公司有两台直径分别为１２米及１３米的１２工位转盘金型机（图７）缸盖，生产铝缸盖。

毛坯重１２公斤，浇冒口重６公斤。浇注温度为７３０＂Ｃ，浇注时间为９秒，生产节拍为３０秒。浇注后缸盖进行热处理。

工位ｌ，囱开启的金属型中自动下芯ｌ

工位２：下芯及浇泣过程中间的安全工位，

工位３；缸盏自动浇注，

工位４～９：浇注了的缸盏进行冷却。

图７８１

德国ＶＷ公司汉诺威铸铝厂采用９台６工位转盘金型机生产铝缸盖

５、Ｃｏｓｗｏｒｔｈ法

英国Ｃａｍｐｂｅｌｌ教授发明的Ｃｏｓｗｏｒｔｈ法（图８）采用冷芯盒砂芯组芯造型，但是它使用锆砂（通常在铸造生产中使用石英砂）。它利用电磁泵来实现在可控压力下使铝合金液由下而上地充填铸型。由于锆砂的热膨胀率很小而且恒定，囡而有利于获得尺寸精确度高的铸件。但是，由于锆砂导热性极好，比石英砂高出两倍多。因而用它所造的砂型难以浇注出壁厚小于４ｍｍ的铝铸件。另外，砂芯采用机械组装，组装后砂型如同一个整体，也有利于确保铸件尺寸精度。

图８

Ｃｏｓｗｏｒｔｈ法最初是用于一级方程式赛车发动机缸体、缸盖。以及航空铸件的小批量生产。８０年代中期美国Ｆｏｔｄ汽车公司从英国引进这一技术．并且对其加一改造，使之适用于大量生产。为此Ｆｏｔｄ公司于１９８８年投资５８０万美元兴建一中试车间即“铸铝研究开发”车间（ＣａｓｔｉｎｇＡｌｕｍｉｎｕｍＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，简称ＣＡＲＤ），其中安装有与生产用设备一样大的倾转式Ｃｏｓｗｏｒｔｈ铸造机及容量为２２．７ｔ的熔化炉，“真刀真枪”地试浇注Ｖ－６及ｖ．８轿车发动机缸体和缸盖。在工艺成熟的基础上，Ｆｏｒｄ汽车公司投资近六千万美元在１９９２年秋建成安装有３８台冷芯射芯机、１０３台机器人以及３台倾转式Ｃｏｓｗｏｒｔｈ转盘铸造机的全自动铸铝厂（ＷｉｎｄｓｏｒＡｌｕｍｉｎｕｍＰｌａｎｔ，温莎铸铝厂现归属Ｎｅｍａｋ公司）。该厂目前己具备年产约８９万件缸体的生产能力。其铸件废品率（内、外废）仅Ｏ．６％，这样低的废品率对于大量生产复杂薄壁铝合金铸件来讲，在世界上是罕见的。

Ｃｏｓｗｏｒｔｈ法（图９ａ、ｂ）的特点是：在将铝液从保温炉输送到型腔中时没有能形成新的氧化膜的搅动；型腔的充填由计算机控制，由于型腔的充填是采用底注的，因此要求电磁泵连续地向型腔供应铝液直至铸件完全凝固为止。以一有代表性的缸盖铸件为例，其充型和凝固时间约为４．２５分．其中充型时间仅为１０～１２秒。这就导致电磁泵的利用率过低。

经过改进的Ｃｏｓｗｏｒｔｈ倾转法（图９ｂ）是从铸型的侧面注入锅液直至型腔被充满为止。随后将整个铸型倾转ｔ此时电磁泵仍在工作，当铸型被倾转１８００后电磁泵开始降低压力以便处于横浇道中的铝液返回到电磁泵的浇注管中，而铸件则在具有热的铝液的冒口作用下进行凝固。这样一台电磁泵配合一台倾转铸型机每小时可浇注５５型。而Ｆｏｒｄ汽车公司采用四工位转盘式浇注机（配一台电磁泵），每小时生产率达１００型。

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图９

６、精确砂型铸造

由于在常温下在芯盒内通气快速硬化砂芯的“冷芯盒”制芯技术的应用，使制芯生产率和砂芯尺寸的可预见性得以提高，精确砂芯组芯造型（即精确砂型）正在一定程度上取代目前常用于生产铸铁及铸铝汽车件的粘土砂型及金属型。以下简述几种具有代表性的使用精确砂型的铸造方法。

（”英国Ｚｅｕｓ法采用冷芯盒砂芯组芯造型，重力浇注。由于所用的工艺装备（芯盒）制造得十分精确，因而可获得尺寸十分精确的铝铸件，这种方法可以生产壁厚仅２．５ｍｍ的复杂铝合金发动机缸体、缸盖。

（２）德国ｇｌｕｃａｓｔ铸造厂采用一种独特的方法来进行冷芯盒砂芯的组装。首先使制好的一底盘砂芯滞留在第一套芯盒的下芯盒内。该底盘砂芯的下芯盒就作为一输送“夹具”逐次通过生产线上的每一台射芯机，并利用芯盒上精确的定位销、套系统进行自动砂芯装配（图１０）。每一台射芯机生产相应的一层砂芯，除第一台射芯机外，其余的射芯机皆将制造的砂芯滞留在上芯盒中，以便进行由上而下的组装。

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