轿车发动机铝合金缸体和缸盖的铸造技术

轿车发动机铝合金缸体和缸盖的铸造技术轿车发动机铝合金缸体和缸盖的铸造技术吴浚郊（清华大学，北京!"""#$）摘要：为了降低燃料消耗，轿车铸件朝着轻量化、精确化、强韧化和复合化方向发展。而扩大铝合金的应用是轿车工业的重要发展趋势，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合金生产。世界若干主要的轿车制造厂各自所采用铸造技术，如压力铸造、中压铸造、低压铸造、金属型铸造、%&’(&)*+法、精确砂型铸造、实型铸造和湿型铸造，生产轿车用的铝合金缸体和缸盖。关键词：轿车发动机；铝合金；缸体和缸盖；铸造技术 ...

轿车发动机铝合金缸体和缸盖的铸造技术吴浚郊（清华大学，北京!"""#$）摘要：为了降低燃料消耗，轿车铸件朝着轻量化、精确化、强韧化和复合化方向发展。而扩大铝合金的应用是轿车工业的重要发展趋势，目前几乎全部轿车缸盖已采用高强度铝合金生产，预计有更多的缸体也将采用铝合金生产。世界若干主要的轿车制造厂各自所采用铸造技术，如压力铸造、中压铸造、低压铸造、金属型铸造、%&’(&)*+法、精确砂型铸造、实型铸造和湿型铸造，生产轿车用的铝合金缸体和缸盖。关键词：轿车发动机；铝合金；缸体和缸盖；铸造技术中图分类号：,-./ 文献标识码：0 文章编号：!"""1#234（."".）"41"./21"2 !"#$%&’()*+$","-’"./,#01$1#0/,,"’2’,1$%)&3"%’4$%2"5)&".24&’67$-1$) 56789:;<& （,’;9=+8<69;>?)’;*@，A?;:;9!"""#$，%+;9<） /869&4*9：B(;9=*&)?C8D;9=*+?D&9’8EF*;&9&GG8?H，*+?D<)+<’<*?9C?9D@*&H;=+*?)，E&)??HJK&(*+?D@H;9C?)D&>?)’&GD<)’<)?F)&C8D?CL@+;=+;9*?9’;*@?)?)；N&89C;9=*?D+9&H&=@ 扩大铝合金的应用是轿车工业的主要发展趋势，国外汽车材料铝合金用量以每年!"O的速度递增。全部轿车缸盖和更多的缸体已采用铝合金生产。下面介绍世界若干主要的轿车制造厂所用的生产铝合金发动机缸体和缸盖的铸造技术。 ! 压力铸造压力铸造的优点是能生产尺寸精度高、表面光洁度好、壁薄的铸件。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：（!）在压室和压型中采用真空；（.）采用更科学、更合理的浇注系统；（2）采用半固态金属来代替液态金属。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（44PQ 方法的缺点是生产率低，因充型时间仅需4’ !!4’，保压时间则需2E;9!3E;9，整个生产循环达 !"E;9!!!E;9。大量生产轿车缸体、缸盖时，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,&@&*<丰田公司采用类似于低压铸造的真空吸铸法（图3）生产铝缸体。 $ 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R<;EH?)1%+)@’H?)公司有.台直径分别为!.E ·2/.· X&HJ.2K&J4 Y?FJ."". 铸造技术 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! NB6KRSZ,[%VKB\B-Z 图! 新压铸法图" 中压压铸法 #$%&! ’()*+(,,-+(.$( #$%&" /(.$-01*+(,,-+( 23,4$5%0(467. .$(23,4$5%0(467. 图8 低压铸造法 #$%&8 97)1*+(,,-+(.$(23,4$5%0(467. 图: 真空吸铸法 #$%&: ;32--03<,7+*4$7523,4$5%0(467. 及="0的=!工位转盘金型机，生产铝缸盖。毛坯质量 =!>%，浇冒口质量?>%，浇注温度为@"AB，浇注时间为 C,，生产节拍为"A,。浇注后缸盖进行热处理。德国;D公司汉诺威铸铝厂采用C台?工位转盘金型机生产铝缸盖 ! E7,)7+46法英国E30*<(FF教授发明的E7,)7+46法（图?），采用冷芯盒砂芯组芯造型，但是它使用锆砂（通常在铸造生产中使用石英砂）。它利用电磁泵来实现在可控压力下使铝合金液由下而上地充填铸型。由于锆砂的热膨胀率很小而且恒定，因而有利于获得尺寸精确度高的铸件。但是，由于锆砂导热性极好，比石英砂高出! 倍，因而用它所造的砂型难以浇注出壁厚!800的铝铸件。另外，砂芯采用机械组装，组装后砂型如同= 个整体，也有利于确保铸件尺寸精度。图? E7,)7+46铸造法 #$%&? E7,)7+4623,4$5%0(467. E7,)7+46法最初是用于一级方程式赛车发动机缸体、缸盖及航空铸件的小批量生产。GA年代中期美国#74.汽车公司从英国引进这一技术，对其加以改造，使之适用于大批量生产。为此#74.公司于=CGG 年投资:GA万美元兴建一中试车间即“铸铝研究开发” 车间，安装有倾转式E7,)7+46铸造机及容量为!!&@4 的熔化炉，试浇注;1?及;1G轿车发动机缸体和缸盖。在工艺成熟的基础上，#7+.汽车公司投资近六千万美元在=CC!年秋建成安装有"G台冷芯射芯机、=A" 台机器人以及"台倾转式E7,)7+46转盘铸造机的全自动铸铝厂。该厂已具备年产约GC万件缸体的生产能力。其铸件废品率（内废、外废）仅A&?H，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。 E7,)7+46法（图@3、<）的特点是：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。以代表性的缸盖铸件为例，充型和凝固时间约为8&!:0$5，其中充型时间仅为=A,!=!,。电磁泵的利用率低。（3）（<）图@ E7,)7+46法的改进工艺 #$%&@ /7.$I$(.4(2657F7%J7IE7,)7+4623,4$5%0(467. 经过改进的E7,)7+46倾转法（图@<）是从铸型的侧面注入铝液直至型腔被充满为止。随后将整个铸型倾转，此时电磁泵仍在工作，当铸型被倾转=GAK后电磁泵开始降低压力以便处于横浇道中的铝液返回到电磁泵的浇注管中，铸件则在具有热的铝液的冒口作用下进行凝固。这样=台电磁泵配合=台倾转铸型机每小时浇注::型。#7+.汽车公司采用四工位转盘式浇 ·8@!· #LM’NOPQRES’L9LTP ;7F&!"’7&: U(* """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" &!AA! 注机（配!台电磁泵），每小时生产率达!""型。 ! 精确砂型铸造常温下在芯盒内通气快速硬化砂芯的“冷芯盒”制芯技术的应用，使制芯生产率和砂芯尺寸的可预见性得以提高，精确砂芯组芯造型（即精确砂型）一定程度上取代常用于生产铸铁及铸铝汽车件的粘土砂型及金属型。以下简述几种具有代表性的使用精确砂型的铸造方法。（!）英国#$%&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，可获得尺寸十分精确的铝铸件，该方法可生产壁厚仅 ’()**的复杂铝合金发动机缸体、缸盖。（’）德国+,%-.&/铸造厂采用!种独特的方法来进行冷芯盒砂芯的组装。先制好的!底盘砂芯滞留在第!套芯盒的下芯盒内。该底盘砂芯的下芯盒就作为输送“夹具”逐次通过生产线上的每!台射芯机，利用芯盒上精确的定位销、套系统进行自动砂芯装配（图 0）。每台射芯机生产相应的!层砂芯，除第!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。图0 自动砂芯装配图 123(0 45$.&&$*6,$-5.7/89.%/8*./2-&.:;-87$ +,%-.&/的生产纲领是年产0)万件铝缸体和缸盖，其最小壁厚为’()**!<**，铸出的孔最小直径为<**。墨西哥=.&/$-5铸造厂在’""’年下半年亦将采用此法为>?汽车公司生产@A铝缸体。（<）美国187;汽车公司于’"""年B月建成了年产?公司发动机总成部（>?C4）在将实型铸造用于大量生产方面在世界上处于领先地位。纽约州的马森纳工厂在0"年代就用实型铸造生产!种E(? 公司铸造开发和验证中心（=H@=）开发用实型铸造生产出铝缸体（质量E"I3）及缸盖（质量’’I3）的技术。在’""!年>?公司萨金诺铸造厂（J?=K）用此法生产了’00"""件铝缸体和 ’00"""件铝缸盖。预计到’""’年!"月，J?=K可达到日产’!""件铝缸体和’!""件铝缸盖的目标。德国L?M 汽车公司在几年前已建立成年产 <<""""件铝缸盖的实型铸造厂。 # 湿型铸造美国>?汽车公司萨基诺金属铸造厂数年前将生产铸铝件的高压造型线改建为生产铝缸盖，’""!年用粘土砂湿型生产了!G’)"""铝缸盖。丹麦HNJ+公司一直致力于开发垂直分型无箱射压造型机及低压浇注来生产铝铸件，特别是铝缸体。这种工艺采用低压体铝液从砂型侧面由下而上地充填型腔。在充填完毕后，将砂型底侧的浇口切断，并将! 通气小管从上向下插入砂型的冒口内，引入气压体冒口进行补缩。如果这种工艺能成功地用于大量生产铝缸体，则由于上述造型机的高生产率（’""型／小时! <""型／小时），它将带来很大的经济效益。 $ 结束语世界著名汽车厂铝合金缸体、缸盖所用的铸造工艺，见表!。表! 世界著名汽车厂生产铝合金缸体、缸盖所用的铸造工艺 4.6(! 45$98%:;7O/$-5:8,83O%&$;987P78;%2:3.,%*2%*.,,8O-O,2:;$768;O.:; -8Q$789&$Q$7.,9.*8%&.678.;-.7R*.;$P,.:/& 方法厂名 >?187; H.2*,$7 =57O&,$7 L?M @M 48O8/. S2&&.: T8:;. U$:.%,/ 12./ 高压压铸 L L L 中压压铸 L 低压压铸 T T T T 金属型铸造 T T T LT T 湿型铸造 T =8&D87/5 法铸造 L 实型铸造 LT T 精确砂型铸造 L L 说明：L为缸体；T为缸盖。由于铝合金浇注温度低（B""V上下），其铸件工艺是多样化的。对于!个轿车制造厂来讲，选择适宜的铸造工艺是极为重要的。为此，必须对各种铸造工艺产品品质的综合影响进行深入的调研和分析，才有可能作出正确的选择。 ·)B’·《铸造技术》)／’""’ !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 吴浚郊：轿车发动机铝合金缸体和缸盖的铸造技术轿车发动机铝合金缸体和缸盖的铸造技术作者：吴浚郊作者单位：清华大学,北京,100084 刊名：铸造技术英文刊名： FOUNDRY TECHNOLOGY 年，卷(期)： 2002，23(5) 引用次数： 8次相似文献(10条) 1.会议论文吴浚郊轿车发动机铝合金缸体和缸盖的铸造技术 2002 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一个主要推动力.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、强韧化和复合化方向发展.国外正在研究3mm壁厚的灰铸铁缸体,3mm壁厚的耐热合金钢排气管和2.0～2.5 mm壁厚的球墨铸铁件.而扩大铝合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10％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合金生产 .生产优质的精确成形铸件(Net shape castings)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. 2.会议论文严卓荣.黄明军.邹奇峰轿车发动机铝合金缸盖罩的压铸工艺与质量控制本田轿车发动机铝合金缸盖罩是采用先进压铸工艺生产的.产品模具的先进设计,压射工艺的参数准确设定,铝合金熔炼的特殊变质处理以及铸件浇注系统、集渣包排气槽的合理改进与质量控制,模具适度温度的控制,是确保压铸生产铝缸盖罩品质稳定的主要因素. 3.会议论文严卓荣.黄明军.邹奇峰轿车发动机铝缸盖罩的压铸工艺与质量控制 2004 本文采用先进的压铸工艺生产本田轿车发动机铝合金缸盖罩.产品模具设计先进;压射参数工艺设定准确;铝合金熔炼的特殊变质处理以及铸件浇口、集渣包排气槽的合理改进与质量控制;模具温度的控制适度;是确保压铸生产铝缸盖罩品质稳定的主要因素. 4.会议论文钱人一轿车发动机机体的轻量化技术 2005 本文介绍了轿车发动机机体轻量化技术的最新进展.国外轿车发动机升功率急剧提高的趋势使得发动机功率密度直逼1kg/kW,气缸峰值压力达到200巴.在这样的背景下降低发动机机体的重量,实非易事.但是国外一些著名的大公司如奥迪、梅塞德斯-奔驰和戴姆勒-克莱斯勒等通过结构和材料两方面的措施,甚至在柴油机机体上都已经将铝合金机体用于批量生产. 5.期刊论文钱人一.QIAN Ren-yi 轿车发动机机体的轻量化技术 -汽车工艺与材料2006,""(6) 介绍了轿车发动机机体轻量化技术的最新进展.国外轿车发动机升功率急剧提高的趋势使得发动机功率密度直逼1 kg/kW,气缸最大爆发压力达到20MPa.在这样的背景下减轻发动机机体的质量,实非易事.但是,国外一些著名公司如奥迪、梅塞德斯-奔驰和戴姆勒-克莱斯勒等通过在结构和材料两方面采取的措施,甚至在柴油机机体上都已经将铝合金机体用于批量生产. 6.学位论文王树青现代新型轿车活塞的设计开发与试验研究 2007 活塞组件是内燃机的重要零部件之一，它的工作状况直接影响到内燃机的性能、工作可靠性和排放性能等指标。尤其是随着客户和社会对发动机性能的要求越来越苛刻，产品推向市场的紧迫性日趋迫切，活塞组件的合理设计与否成为制约发动机开发成败的关键因素。本课题在综合国内外发动机活塞研究现状的基础上，以某高性能轿车发动机活塞83a的设计开发及试验研究为例，制定了一套较为完善的、有效的活塞组件设计方法。依据本课题总结的设计和分析流程，在确保该高性能活塞耐高温性能、热稳定性及保证活塞可靠性的前提下，有效的提高了发动机的机械效率，发动机的机油消耗量、漏气量等性能参数也均达到了设计目标。本课题所开展的工作主要为：总结了整体铝合金活塞的基本设计规律，提出了活塞组件集成的设计方法；利用Unigraphics软件设计并建立了活塞组件的三维数值模型，并利用Ansys软件进行了活塞组件的网格划分及数值模拟计算工作。通过对活塞组件的温度场、应力场和安全系数等进行模拟计算，在结构强度上保证了该轿车活塞的结构可靠性。制定了基于活塞动力学和活塞环动力学的活塞摩擦副组件GLIDE模拟分析与评价工作规范：利用GLIDE动力学模拟分析软件，根据发动机机油耗、气体流动和摩擦函数方程等建立了活塞动力学的数学模型，同时对活塞裙部型线进行对比分析，研究不同参数对发动机动力性能、机油耗、噪音等指标的影响。利用台架试验测试了发动机爆发压力随曲轴转角的变化规律，利用硬度塞法测量了活塞的表面温度，并进行了发动机活塞的拉缸试验、贴合试验、性能试验与可靠性试验等。试验结果表明，依据本课题所提供的活塞组件配合参数达到了发动机的预期设计目标，通过对活塞摩擦副组件进行模拟和优化，有效的提高了活塞组件的开发成功率。通过本课题的研究，在保证活塞工作可靠性的前提下，提了产品开发成功率，缩短产品推向市场的时间，降低了试验所带来的巨额开发费，为其他新产品的设计与开发提供了经验。 7.期刊论文雷健.郑宇新.袁序弟.魏伯康.LEI Jian.Zheng Yuxin.Yuan Xudi.Wei Bokang 轿车发动机缸盖铸态铝合金成分优化设计 -特种铸造及有色合金2001,""(3) 介绍了法国标致/雪铁龙P.S.A集团关于轿车发动机缸盖铝合金的成分及性能标准，通过对牌号为A-S5U3G铝合金进行成分优化设计，在使用国产原材料情况下，配制的合金成分及铸态力学性能达到法国标准要求。 8.期刊论文金敏现代轿车发动机铝合金气缸盖发展的新趋势 -汽车与配件2007,""(6) 与优化铸造工艺一样,铝的合金成分和合适的热处理参数对获得尽可能好的气缸盖性能起着重要的作用. 9.会议论文张先国浅谈铝质材料在轻轿车发动机连杆上的应用 2000 讨论车用发动机连杆的现状及发展趋势,分析发动机连杆的使用性能要求,测量铝合金中最常用的LY12在人工时效条件下的常温疲劳性能,介绍碳化硅颗粒增强铝基复合材料的性能特点,计算在150℃高温条件下用LY12制造轻轿车发动机连杆的安全系数,分析采用常规铝合金和碳化硅颗粒增强铝基复合材料制造车用发动机杆的可行性. 10.会议论文钱人一轿车发动机机体的轻量化技术 2006 本文介绍了轿车发动机机体轻量化技术的最新进展。文章指出，国外轿车发动机升功率急剧提高的趋势使得发动机功率密度直逼1 kg/kW，气缸最大爆发压力达到20MPa。国外一些著名公司如奥迪、梅塞德斯-奔驰和戴姆勒-克莱斯勒等通过在结构和材料两方面采取的措施，已经将铝合金机体用于批量生产。引证文献(8条) 1.陈刚.贺跃辉.沈培智发动机活塞和缸套材料及其加工工艺研究现状[期刊论文]-粉末冶金材料科学与工程 2009(4) 2.严青松.余欢.魏伯康.蔡启舟.徐志锋.蔡长春汽车铝合金缸盖铸件缺陷分析及控制[期刊论文]-失效分析与预防 2009(1) 3.杨敏.陈建雄.闰雪华.苏世标.冯本秀.耿继武.邹剑明某铝合金发动机铸造车间职业病危害及控制措施[期刊论文]-中国卫生工程学 2009(1) 4.严青松.余欢.魏伯康.蔡启舟.陈立亮.刘瑞祥铝合金汽车缸盖的缩孔缩松缺陷数值模拟分析[期刊论文]-铸造技术 2008(3) 5.张洪信.姜勇.张铁柱.张纪鹏铝合金压力铸造技术的现状与展望[期刊论文]-铸造 2007(12) 6.丁苏沛.康敬乐.孙国法.王峰.何强轿车铝缸盖的低压铸造工艺与设备[期刊论文]-中国铸造装备与技术 2006(2) 7.杨勇 476发动机气缸盖低压铸造工艺研究[学位论文]硕士 2005 8.赖华清.范宏训汽车铝缸盖铸造工艺方法[期刊论文]-中国铸造装备与技术 2003(5) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_zzjs200205006.aspx 下载时间：2010年6月7日

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