【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 、加快冷卻速度以及在壓力下凝固結(jié)晶等，均可使鋁鑄件的氣密性提高。 增強(qiáng)體的選擇 增強(qiáng)體： SiC顆粒 顆粒增強(qiáng)體的平均尺寸是 ，最細(xì)的為納米級(jí)，最粗的顆粒粒徑大于30181。m。在復(fù)合材料中，顆粒增強(qiáng)體的體積含量一般為 15%20%，特殊的也可達(dá)5%75%。 按變形性能，顆粒增強(qiáng)體可以分為剛 性顆粒和延性顆粒。剛性顆粒主要是陶瓷顆 11 粒，其特點(diǎn)是高彈性模量、高拉伸強(qiáng)度、高硬度、高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。剛性顆粒增強(qiáng)的復(fù)合材料具有較強(qiáng)的高溫力學(xué)性能，是制造切削刀具、高速軸承零件、熱結(jié)構(gòu)零部件等的優(yōu)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(qiáng)的復(fù)合材料的力學(xué)性能取決于顆粒的形貌、直徑、結(jié)晶完整度和顆粒在復(fù)合材料中的分布情況及體積分?jǐn)?shù)。 選用顆粒增強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)是：材料的選擇方便，成本低，易于批量生產(chǎn)。用纖維或者是晶須增強(qiáng)會(huì)增加成本，且不 利于批量生產(chǎn)。 常用的顆粒增強(qiáng)體的性能見表格 2， 表 2 用的顆粒增強(qiáng)體的性能 顆 粒 名 稱 密 度 / 熔 點(diǎn) /oC 熱膨脹系數(shù) /x106/oC 硬 度 / 彎曲強(qiáng)度 /MPa 熱導(dǎo)率 /() 碳化硅 （ SiC) 2700 2700 400500 碳化硼 (B4C) 2450 3000 300500 碳化鈦 (TiC) 3200 2600 500 氧化鋁 (Al2O3) 2050 氮化硅 (Si3N4) 2100 分解 8993HRA 900 莫來石() 1850 3250 約 1200 硼化鈦 （ TiB2） 2980 常用于鋁基體中作增強(qiáng)顆粒的有： SiC、 TiC、 Al2O3等。 本次設(shè)計(jì)選用 SiC作為鋁基復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的增強(qiáng)顆粒，是從增強(qiáng)顆粒的性能（如密度，硬度等），制造成本等方面綜合考慮。 成型工藝 成型工藝 的種類 材料選擇的不同會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的性能不同，同樣不同的工藝過程會(huì)使材料的性 12 能不同，工藝的進(jìn)步會(huì)帶來產(chǎn)品技術(shù)的進(jìn)步，可以直接體現(xiàn)在產(chǎn)品的性能、減重、成本、耐久性等各個(gè)方面。根據(jù)不同產(chǎn)品的需要進(jìn)行合理的選擇，由于本次設(shè)計(jì)主要對(duì)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(dāng)今在大批量生產(chǎn)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(chǎn)件數(shù)較高，那么壓鑄是一種經(jīng)濟(jì)的解決方案。 現(xiàn)在對(duì)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，并有很多衍生的鑄造工藝。 壓力鑄造 壓鑄能以很短的節(jié)拍、精細(xì)的表面質(zhì)量和精確的尺寸實(shí)現(xiàn)鑄件薄壁結(jié)構(gòu)。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(huì)導(dǎo)致氣缸筒嚴(yán)重變形。此外，壓鑄快速的充型過程易導(dǎo)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(jìn)鑄件結(jié)構(gòu)中 ,使鑄件的內(nèi)部致密性差。 這個(gè)缺點(diǎn)可以利用擠壓鑄造加以避免，因?yàn)檫@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(jìn)行補(bǔ)縮。 以下途徑可以改善壓力鑄造的缺點(diǎn) : (1) 在壓室和壓型中采用真空 。 (2) 采用更科學(xué)、更合理的澆注系統(tǒng) 。 (3) 采用半固態(tài)金屬來代替液態(tài)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(nèi)與鑄型型腔內(nèi)的壓力差，使合金在較低的充型壓力 ()作用下，沿著升液管內(nèi)孔自下而上地經(jīng)升液通道、鑄型澆口、平穩(wěn)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(jié)晶凝固，然后卸除密封容器內(nèi)的壓力，讓升液管、澆道內(nèi)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(yōu)點(diǎn)： 1）鑄造材料利用率非常高，可以大幅度降低材料費(fèi)和加工費(fèi)。 13 2）容易形成方向性凝固，內(nèi)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(diǎn)是生產(chǎn)率低 ,因充型時(shí)間僅需 5 s～ 15 s ,保壓時(shí)間則需 3min～6min ,整個(gè)生產(chǎn)循環(huán)達(dá) 10min～ 11min。大量生產(chǎn)轎車缸體、缸蓋時(shí) ,需要多臺(tái)機(jī)器和多套模具。 圖 3. 低壓鑄造示意圖 COSWORTH方法 COSWORTH鑄造工藝實(shí)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(duì)澆注過程進(jìn)行精密控制。 Cosworth 法（圖 4a,b）：將鋁液從保溫爐輸送到型腔中時(shí)沒有能形成新的氧化膜的攪動(dòng) 。型腔的充填由計(jì)算機(jī)控制 ,由于型腔的充填是采用底注的 ,因此要求電磁泵連續(xù)地向型腔供應(yīng)鋁液直至鑄件完全凝固為止。以代表性的 缸蓋鑄件為例 ,充型和凝固時(shí)間約為 ,其中充型時(shí)間僅為 10 s～ 12 s。電磁泵的利用率低，經(jīng)過改進(jìn)的 Cosworth 傾轉(zhuǎn)法（圖 4b)， 是從鑄型的側(cè)面注入鋁液直至型腔被充滿為止。隨后將整個(gè)鑄型傾轉(zhuǎn) , 此時(shí)電磁泵仍在工作 , 當(dāng)鑄型被傾轉(zhuǎn) 180176。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(jìn)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(shè)計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)： 14 a．結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以非常靈活，對(duì)氣缸體的結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)幾乎沒有任何限制，在設(shè)計(jì)中可以考慮將包括油道．水道、回油孔等細(xì)小的結(jié)構(gòu)直接鑄造出來，大大降低機(jī)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(shù)和普通的硅砂相比又非常小，因此 COSWORTH鑄造工藝可以實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)時(shí)就可以少考慮鑄造偏差對(duì)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(duì)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(shí)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(zhì)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(yán)格地控制氣缸體主軸承座，相鄰缸套之間部位的鑄造質(zhì)量。 金屬型鑄造 金屬型重力鑄造工藝特點(diǎn)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(chǎn)較高質(zhì)量鑄件的傳統(tǒng)方法。 國(guó)外鋁缸體金屬型重力鑄造生產(chǎn)線包括： 1）多工位轉(zhuǎn)臺(tái)或多工位直列式大批量鑄造系統(tǒng)； 2）通用型液壓全自動(dòng)控制的金屬型重力鑄造機(jī)； 3）全自動(dòng)澆注機(jī)器人、全自動(dòng)下芯機(jī)械手和全自動(dòng)取件 機(jī)械手等輔助自動(dòng)化系統(tǒng)； 4）配合自動(dòng)化生產(chǎn)的多種物流輸送管理系統(tǒng)； 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(dòng)落砂機(jī)； 6）多工位水密壓力檢測(cè)設(shè)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(nèi)，填入不含粘結(jié)劑的干砂，低幅高頻振實(shí)，然后砂箱抽真空使砂子緊固成鑄型。澆注時(shí)在液態(tài)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(jù)的空間位置，在隨后的凝固過程結(jié)束后獲得所需的鑄件。它適用于生產(chǎn)各種材質(zhì) 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(jié)劑、無附加物的干砂造型 ,可以生產(chǎn)薄壁、零度拔模斜率的復(fù)雜鑄件 ,還可直接鑄出螺紋及曲折的通道，可以減少 15 機(jī)械加工工序。 消失模鑄造可以生產(chǎn)出薄壁、零度起模斜度的復(fù)雜鑄件，并可直接鑄出螺紋及曲折的通道，可減少機(jī)械加工量及加工工序。 精確砂型鑄造 常溫下在芯盒內(nèi)通氣快速硬化砂芯的“冷芯盒”制芯技術(shù)的應(yīng)用 ,使制芯生產(chǎn)率和砂芯尺寸的可預(yù)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(chǎn)鑄鐵及鑄鋁汽車件的粘土砂型及金屬型。德國(guó) Alucast 鑄造廠采用 1 種獨(dú)特的方法來進(jìn)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(nèi)。該底盤砂芯的下芯盒就作為輸送“夾具”逐次通過生產(chǎn)線上的每 1臺(tái)射芯機(jī) , 利用芯盒上精確的定位銷、套系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)砂芯裝配 (圖 5) 。每臺(tái)射芯機(jī)生產(chǎn)相應(yīng)的 1 層砂芯 ,除第 1 臺(tái)射芯機(jī)外 ,其余的射芯機(jī)皆將制造的砂芯滯留在上芯盒中 ,以便進(jìn)行由上而下的組裝。 圖 5 自動(dòng)砂芯裝配圖 成型工藝的選擇 針對(duì)本次設(shè)計(jì)選擇高壓鑄造技術(shù)， 缸體壓力鑄造 的實(shí)質(zhì)是在高壓作用下，使液態(tài)或半液態(tài)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(yōu)質(zhì)鑄件的高效率鑄造方法。它的基本特點(diǎn)是高壓 (5150MPa)和高速 (5— 100m/s)。充填時(shí)間很短，一般在 ～ 。壓鑄的主要特點(diǎn)是生產(chǎn)率高，平均每小時(shí)可壓鑄 50～ 500次，可進(jìn)行半自動(dòng)化或自動(dòng)化的連續(xù)生產(chǎn)。產(chǎn)品質(zhì)量好，尺寸精度高，強(qiáng)度比砂型鑄造高 20％ 40％。但壓鑄設(shè)備投資大，制造壓鑄模費(fèi)用高、周期長(zhǎng)，只宜于大批量生產(chǎn)。生產(chǎn)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(yōu)點(diǎn)： 首先是產(chǎn)品質(zhì)量好。缸體鑄件尺寸精度高，一般相當(dāng)于 6～ 7級(jí)，甚至可達(dá) 4級(jí)；表面光潔度好，一般相當(dāng)于 5～ 8級(jí)；強(qiáng)度和硬度較高，強(qiáng)度一般比砂型鑄造提高 25％～ 16 30％，但延伸率降低約 70％；尺寸穩(wěn)定，互換性好；可壓鑄薄壁復(fù)雜的鑄件。例如，當(dāng)前鋅合金壓鑄件最小壁厚可達(dá) ；鋁合金鑄件可達(dá) ；最小鑄出孔徑為；最小螺距為 0． 75mm。 其次是生產(chǎn)效率高。例如國(guó)產(chǎn) JⅢ 3型臥式冷空壓鑄機(jī)平均 8h可壓鑄 600～ 700次，小型熱室壓鑄機(jī)平均每八小時(shí)可壓鑄 3000～ 7000次。壓鑄模 具壽命長(zhǎng)，一套壓鑄模壓鑄鋁合金，壽命可達(dá)幾十萬次，甚至上百萬次。 第三，經(jīng)濟(jì)效果優(yōu)良。由于缸體壓鑄件尺寸精確，表面光潔等優(yōu)點(diǎn)。一般不再進(jìn)行機(jī)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(shè)備和工時(shí)。既節(jié)省裝配工時(shí)又節(jié)省