【正文】 .................. 19 質(zhì)量控制 ................................................................................................................... 20 原材料的選擇 ................................................................................................... 20 成型工藝的控制 .............................................................................................. 21 后續(xù)的加工與處理 ............................................................................................ 26 第三章 總結(jié) ........................................................................................................................ 27 參考文獻(xiàn) .............................................................................................................................. 28 5 第一章 緒 論 選題的意義 隨著現(xiàn)代汽車工業(yè)的高速發(fā)展，越來越多的汽車使用鋁基體代替鋼、塑料等傳統(tǒng)材料，使得汽車工業(yè)朝著輕量化、高速、安全、舒適、低排放、低成本與節(jié)能的方向發(fā)展。目前，汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國家平均用鋁量已達(dá) 130kg以上，而日本 2021年的轎車用鋁量達(dá) 270kg。研究表明，汽車整備質(zhì)量每減少 100kg，百公里油耗可降低 。減輕車重，材料的再利用和綠色制造是汽車材料的發(fā)展重點(diǎn)。缸體是發(fā)動機(jī)中重量最重、復(fù)雜程度最高、生產(chǎn)難度最大的關(guān)鍵鑄件，一般都超過發(fā)動機(jī)質(zhì)量的 1/4，甚至接近 1/3。我國砂型鑄造汽油機(jī)鋁基體氣缸體的歷史至少可以上溯到 30多年前。發(fā)動機(jī)缸體輕量化的途徑，首 先是提高升功率，以降低發(fā)動機(jī)單位功率的質(zhì)量，除了提高升功率以外，減輕單個零件的質(zhì)量也是發(fā)動機(jī)輕量化的重要途徑。 1. 2 發(fā)動機(jī)缸體用的材料 現(xiàn)代轎車發(fā)動機(jī)為降低燃油耗和達(dá)到排放法規(guī)的要求大多采用廢氣渦輪增壓，而且在汽油機(jī)上還因提高壓縮比和發(fā)動機(jī)在爆震極限附近運(yùn)行，使得機(jī)械負(fù)荷也大大增加，特別是先進(jìn)的轎車柴油機(jī)爆發(fā)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(fā)動機(jī)種類和制作成本，以及必須考慮發(fā)動機(jī) 零件良好的制作工藝性。 在滿足缸體性能要求的條件下，主要介紹幾種較常見的發(fā)動機(jī)缸體的材料（灰鑄鐵、蠕鐵、鎂鋁合金），并作做簡單的對比。由于灰鑄鐵具有足夠的強(qiáng)度、剛性，為氣缸筒滑移表面提供了良好的摩擦學(xué)性能，并且有良好的鑄造性、吸振性和加工性，生產(chǎn)成本低廉。但灰鑄鐵材料的最大缺點(diǎn)是密度大。 蠕鐵 隨著發(fā)動機(jī)強(qiáng)化程度越來越高以及對發(fā)動機(jī)減重的要求越來越高，灰鑄鐵已經(jīng)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。蠕鐵的疲勞強(qiáng)度幾乎是灰鐵 2倍，因此在承受同樣負(fù)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(jié)構(gòu)尺寸的情況下承受 更大的負(fù)荷。蠕鐵的強(qiáng)度和剛度更好，可以改善缸筒尺寸的穩(wěn)定性．減小缸筒的變形．并進(jìn)一步減小缸筒與活塞副的磨損，降低機(jī)油耗和燃油耗。用更短的螺栓和螺栓搭子意味著進(jìn)一步減輕發(fā)動機(jī)質(zhì)量。 蠕墨鑄鐵缸體的開發(fā)成功大大提高了鐵質(zhì)材料重新奪同其應(yīng)用市場的可能性。同時蠕墨鑄鐵的密度也很大。該比值越低，表明缸體 (或發(fā)動機(jī) )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(yīng)用越來越廣泛。 鎂基體 鎂合金在密度方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)點(diǎn)，但其剛度和強(qiáng)度較低。然而，由于其較大的熱膨脹，如果沒有相應(yīng)措施，發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時軸承間隙將會過度擴(kuò)大，使得通過發(fā)動機(jī)的機(jī)油流量劇增，且聲學(xué)激勵明顯加劇。而且，它們的蠕變強(qiáng)度有限，而這種蠕變強(qiáng)度是設(shè)計中必須加以考慮的。 8 鋁基體 1997年，歐洲生產(chǎn)的 1500萬輛小轎車和其它小型商用車中，只有 77％ (1150萬輛 )的缸體采用灰鑄鐵件，而有 23％ (350萬輛 )的缸體采用鑄鋁件。 鋁合金是汽車上應(yīng)用最快和最廣的輕金屬，因為鋁合金本身的性能已經(jīng)達(dá)到質(zhì)量輕、強(qiáng)度高 、 耐腐蝕的要求 。鋁合金氣缸體、 氣缸蓋壓鑄成形技術(shù)可以提高凈化 、 精煉 、 細(xì)化和變質(zhì)等材質(zhì)質(zhì)量控制 嗎， 使得鋁鑄件質(zhì)量達(dá)到一致性和穩(wěn)定性 。 因此擴(kuò)大鋁合金應(yīng)用可以明顯減輕汽車的自重 ， 降低能耗 。 而 鋁基復(fù)合材料質(zhì)量輕，比強(qiáng)度和比模量高、抗熱疲勞性能與耐磨性好。本次發(fā)動機(jī)缸體設(shè)計的材料選用鋁基復(fù)合材料，以 A356鋁合金為基體， SiC為增強(qiáng)顆粒。流動性大小決定合金能否鑄造復(fù)雜的鑄件。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。 （ 2）收縮性 收縮性是鋁合金 缸體鑄造的主要特征之一。合金的收縮性對鑄件質(zhì)量有決定性的影響，它影響著鑄件的縮孔大小、應(yīng)力的產(chǎn)生、裂紋的形成及尺寸的變化。鋁合金收縮大，鋁鑄件產(chǎn)生裂紋與應(yīng)力的趨向也越大；冷卻后鑄件尺寸及形狀變化也越大。 鑄鋁合金的氣密性與合金的性質(zhì)有關(guān)，合金凝固范圍越小，產(chǎn)生疏松傾向也越小，同時產(chǎn)生析出性氣孔越小，則合金的氣密性就越高。 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，最粗的顆粒粒徑大于30181。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%。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。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)。用纖維或者是晶須增強(qiáng)會增加成本，且不 利于批量生產(chǎn)。 本次設(shè)計選用 SiC作為鋁基復(fù)合材料發(fā)動機(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。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)計主要對象是鋁合金，故主要介紹鋁合金缸體的鑄造工藝。砂芯的制造方法也有所不同。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）。 現(xiàn)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，并有很多衍生的鑄造工藝。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）。但是，即使如此也未必會導(dǎo)致氣缸筒嚴(yán)重變形。 這個缺點(diǎn)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(jìn)行補(bǔ)縮。 (2) 采用更科學(xué)、更合理的澆注系統(tǒng) 。 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）。 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。 而這種方法的缺點(diǎn)是生產(chǎn)率低 ,因充型時間僅需 5 s～ 15 s ,保壓時間則需 3min～6min ,整個生產(chǎn)循環(huán)達(dá) 10min～ 11min。 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(jìn)行精密控制。型腔的充填由計算機(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。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。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。 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。 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。 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。 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，然后砂箱抽真空使砂子緊固成鑄型。它適用于生產(chǎn)各種材質(zhì) 的鑄件。 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。德國 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。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臺射芯機(jī) , 利用芯盒上精確的定位銷、套系統(tǒng)進(jìn)行自動砂芯裝配 (圖 5) 。 圖 5 自動砂芯裝配圖 成型工藝的選擇 針對本次設(shè)計選擇高壓鑄造技術(shù)， 缸體壓力鑄造 的實質(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。充填時間很短，一般在 ～ 。產(chǎn)品質(zhì)量好，尺寸精度高，強(qiáng)度比砂型鑄造高 20％ 40％。生產(chǎn)中多用于壓鑄鋁、鎂及鋅合金。缸體鑄件尺寸精度高，一般相當(dāng)于 6～ 7級，甚至可達(dá) 4級；表面光潔度好，一般相當(dāng)于 5～ 8級；強(qiáng)度和硬度較高，強(qiáng)度一般比砂型鑄造提高 25％～ 16