課程設(shè)計--汽車發(fā)動機缸體用復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、<p>　　汽車發(fā)動機缸體用復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　The Structure Design of Composites for </p><p>　　Car Engine Cylinder Body</p><p>　　學(xué)院名稱：材料科學(xué)與工程學(xué)院</p><p>　　專業(yè)班級：復(fù)合材料1001班</p>

2、;<p><b>　　學(xué)生姓名： </b></p><p><b>　　指導(dǎo)老師姓名： </b></p><p><b>　　2010年7月</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　鋁基復(fù)合材料具有低的密度，高

3、的比強度和比剛度，優(yōu)良的鑄造性能。由于汽車輕量化的要求，鋁基復(fù)合材料將越來越多的應(yīng)用于汽車領(lǐng)域中。本文設(shè)計了鋁基復(fù)合材料在發(fā)動機缸體中的應(yīng)用，同時將鋁基復(fù)合材料和傳統(tǒng)發(fā)動機缸體的材料做了比較。</p><p>　　復(fù)合材料主要由增強體和基體組成，本文以鋁合金作為基體選擇碳化硅作為增強體并且選擇傳統(tǒng)的壓力鑄造工藝進行制備發(fā)動機缸體。最后對生產(chǎn)的產(chǎn)品進行必要的質(zhì)量控制和檢測，使得制備出來的發(fā)動機缸體符合要求。<

4、/p><p>　　關(guān)鍵詞：鋁基復(fù)合材料，發(fā)動機缸體，壓力鑄造</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Aluminum matrix composite have low density, high specific strength，specific stiffness and excellent casting

5、 properties. Since the requirements of lightweight vehicles, Al matrix composite will be used more and more in automotive field. This article describes the application of Al matrix composite in the engine cylinder body,

6、meanwhile make a compare with the materials of traditional engine cylinder body. </p><p>　　Composite material is made up of matrix and reinforcement. In this work, aluminum alloy and SiC particle are choosen

7、 as matrix and reinforcement, respectively. The engine cylinder body product is formed by pressure die casting technology. At last, The quality check and control system are demonstrated for the product meeting the applic

8、ation requirement.</p><p>　　Key words: Al matrix composite; engine cylinder body; pressure die casting</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　目 錄4</b></p>

9、<p><b>　　第一章 緒 論5</b></p><p>　　1.1 選題的意義5</p><p>　　1. 2 發(fā)動機缸體用的材料5</p><p>　　1.2.1 灰鑄鐵6</p><p>　　1.2.2 蠕鐵6</p><p>　　1.2.3 鎂基體7</p

10、><p>　　1.2.4 鋁基體8</p><p>　　第二章 發(fā)動機缸體的設(shè)計9</p><p>　　2.1 發(fā)動機缸體的產(chǎn)品圖9</p><p>　　2.2材料的選擇9</p><p>　　2.2.1基體的選擇9</p><p>　　2.2.2增強體的選擇10</p>

11、<p>　　2.3 成型工藝11</p><p>　　2.3.1成型工藝的種類11</p><p>　　2.4 發(fā)動機缸體工藝、工裝16</p><p>　　2.4.1 鑄造工藝方案16</p><p>　　2.4.2 模具的設(shè)計17</p><p>　　2.5 發(fā)動機缸體的加工流程17</

12、p><p>　　2.5.1.制芯工藝17</p><p>　　2.5.2.組芯工藝18</p><p>　　2.5.3.造型工藝18</p><p>　　2.5.4.下芯工藝18</p><p>　　2.5.5.熔煉18</p><p>　　2.5.6.澆注系統(tǒng)設(shè)計19</p>

13、;<p>　　2.5.7.工藝參數(shù)的選定19</p><p>　　2.5.8.落砂、清理及檢測19</p><p>　　2.6 質(zhì)量控制20</p><p>　　2.6.1 原材料的選擇20</p><p>　　2.6.2 成型工藝的控制21</p><p>　　2.6.3 后續(xù)的加工與處理

14、26</p><p><b>　　第三章 總結(jié)27</b></p><p><b>　　參考文獻28</b></p><p><b>　　第一章 緒 論</b></p><p><b>　　1.1 選題的意義</b></p><p&

15、gt;　　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。汽車輕量化采用鋁基體效果十分顯著。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2000年的轎車用鋁量達(dá)270kg。我國轎車平均用鋁量在80-100kg。研究表明，汽車整備質(zhì)量每減少100kg，百公里油耗可降低0.3L到0.6L。此外，汽車輕量化還可以提高汽車動力性，

16、節(jié)省材料，降低成本。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。發(fā)動饑是汽車的“心臟”，約占汽車總重的18%。缸體是發(fā)動機中重量最重、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)動機質(zhì)量的1/4，甚至接近1/3。早在40 多年前，就已經(jīng)有生產(chǎn)鋁基體發(fā)動機氣缸體的壓鑄機了。我國砂型鑄造汽油機鋁基體氣缸體的歷史至少可以上溯到30多年前?，F(xiàn)代汽車對發(fā)動機的要求是輕量化、功率大、省油、噪音小、無有害排放等，這些要求毫無疑問都要分

17、解到各個零部件上，缸體是首選零件。發(fā)動機缸體輕量化的途徑，首先是提高升功率，以降低發(fā)動機單位功率的質(zhì)量，除了提高升功率以外，減輕單</p><p>　　1. 2 發(fā)動機缸體用的材料</p><p>　　現(xiàn)代轎車發(fā)動機為降低燃油耗和達(dá)到排放法規(guī)的要求大多采用廢氣渦輪增壓，而且在汽油機上還因提高壓縮比和發(fā)動機在爆震極限附近運行，使得機械負(fù)荷也大大增加，特別是先進的轎車柴油機爆發(fā)壓力已超過1 8

18、MPa，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)動機種類和制作成本，以及必須考慮發(fā)動機零件良好的制作工藝性。</p><p>　　對缸體鑄件有如下要求：</p><p>　　（1）有足夠強度、剛度和致密性；</p><p><b>　?。?）輕量化；</b></p><p>　?。?）形狀準(zhǔn)確，尺寸精度高；&l

19、t;/p><p>　?。?）鑄件內(nèi)外表面光潔；</p><p>　?。?）.有良好的加工性能。</p><p>　　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)動機缸體的材料（灰鑄鐵、蠕鐵、鎂鋁合金），并作做簡單的對比。</p><p><b>　　1.2.1 灰鑄鐵</b></p><p>　

20、　傳統(tǒng)的發(fā)動機缸體的材料是灰鑄鐵。由于灰鑄鐵具有足夠的強度、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。所以，迄今絕大多數(shù)發(fā)動機氣缸體都采用灰鑄鐵。但灰鑄鐵材料的最大缺點是密度大。傳統(tǒng)缸體的材質(zhì)都選用高牌號灰鑄鐵，大多數(shù)為HT250級， 一部分為HT300級。</p><p><b>　　1.2.2 蠕鐵</b></p>&l

21、t;p>　　隨著發(fā)動機強化程度越來越高以及對發(fā)動機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。實際上蠕鐵早在20世紀(jì)40年代就被發(fā)現(xiàn)，但由于石墨的蠕化工藝極其不穩(wěn)定．因此一直沒有在發(fā)動機重要零部件上得到應(yīng)用。蠕鐵的疲勞強度幾乎是灰鐵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。蠕鐵的鑄態(tài)穩(wěn)定性非常好，可以在設(shè)計中采

22、用較低的安全系數(shù)，這就意味著可以進一步減輕發(fā)動機質(zhì)量。蠕鐵的強度和剛度更好，可以改善缸筒尺寸的穩(wěn)定性．減小缸筒的變形．并進一步減小缸筒與活塞副的磨損，降低機油耗和燃油耗。蠕鐵的強度更好，因此可以減小相關(guān)螺栓的旋合長度。用更短的螺栓和螺栓搭子意味著進一步減輕發(fā)動機質(zhì)量。</p><p>　　與灰鑄鐵相比，蠕墨鑄鐵缸體有如下優(yōu)點：</p><p>　　(1) 發(fā)動機功率 缸徑變形小且均勻，并可

23、降低活塞環(huán)的張力，能夠減小摩擦，降低缸套的磨損和機油消耗；</p><p>　　(2) 缸徑的膨脹 缸徑的膨脹小18％～28％，因此可降低機油消耗以及有害氣體的泄漏；</p><p>　　(3) 缸徑的圓度 蠕墨鑄鐵剛性高，所以裝上缸蓋后缸徑的圓度比灰鑄鐵至少要好40％；</p><p>　　(4) 密封性 蠕墨鑄鐵缸體的缸徑應(yīng)變小，與灰鑄鐵相比漏氣投機油消耗均大大

24、降低；</p><p>　　(5) 漏油 蠕墨鑄鐵的拋光好，發(fā)動機和壓油部件的漏油可減少20％；</p><p>　　(6) 輕量化 蠕墨鑄鐵的強度和剛性都高，留有改進設(shè)計、減輕重量的足夠余地．發(fā)動機缸體改進設(shè)計后，缸體重量減輕丁30％；</p><p>　　(7) 噪聲、振動減振性與灰鑄鐵大致相同，而噪聲減少8％～18％；</p><p>

25、　　(8)氣缸間壁厚蠕墨鑄鐵強度可達(dá)灰鑄鐵的兩倍，有利于壁厚的減薄。</p><p>　　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。目前限制蠕墨鑄鐵缸體發(fā)展的原因有：一是產(chǎn)品設(shè)計師對蠕鐵了解不深，不可能根據(jù)蠕鐵特點來改進缸體甚至是發(fā)動機的設(shè)計；二是鑄造廠穩(wěn)定生產(chǎn)蠕化率大于80％的蠕鐵尚有一定困難。同時蠕墨鑄鐵的密度也很大。</p><p>　　在汽車“輕量化”壓力

26、下（有盡量高的功率比，即缸體質(zhì)量(k)與發(fā)動機功率(馬力=735w)之比越低越好。該比值越低，表明缸體(或發(fā)動機)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。而且鋁鑄什生產(chǎn)技術(shù)日臻成熟，故鋁鑄造的發(fā)動機缸體越來越受矚目。</p><p>　　1.2.3 鎂基體 </p><p>　　鎂合金在密度方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)點，但其剛度和強度較低。不過，在彈性模量和強度相對于

27、密度的比值方面具有非常良好的結(jié)果，完全勝任輕型結(jié)構(gòu)材料的角色。然而，由于其較大的熱膨脹，如果沒有相應(yīng)措施，發(fā)動機運轉(zhuǎn)時軸承間隙將會過度擴大，使得通過發(fā)動機的機油流量劇增，且聲學(xué)激勵明顯加劇。此外，鎂合金的耐磨性較差，不能滿足氣缸筒表面的要求。而且，它們的蠕變強度有限，而這種蠕變強度是設(shè)計中必須加以考慮的。這些缺點可以通過改善結(jié)構(gòu)加以補救，但這將使成本上升得更高。</p><p>　　1.2.4 鋁基體 <

28、/p><p>　　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。美國福特公司，1993年開始生產(chǎn)鋁缸體，到1997年缸體產(chǎn)量已達(dá)50萬套，占總量的12％。</p><p>　　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、強度高、耐腐蝕的要求。鋁合金通過強化合金元素

29、使其強度大大提高，由于質(zhì)輕、散熱好等特性，完全滿足了發(fā)動機活塞、氣缸體和氣缸蓋在惡劣環(huán)境下的工作要求。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。另外，由于鋁合金密度低、強度性能與灰鑄鐵相近，韌性卻高于灰鑄鐵，且有良好的鑄造性能。因此擴大鋁合金應(yīng)用可以明顯減輕汽車的自重，降低能耗。</p><p>　　灰鑄鐵，蠕墨鑄鐵和鋁，鎂基體的相關(guān)物理性能

30、的比較如圖1所示：</p><p>　　圖1 四種材料的性能數(shù)據(jù)</p><p>　　第二章 發(fā)動機缸體的設(shè)計</p><p>　　2.1 發(fā)動機缸體的產(chǎn)品圖 </p><p>　　所設(shè)計的發(fā)動機產(chǎn)品圖如圖2下所示：</p><p><b>　　圖 2 產(chǎn)品圖</b></p>&l

31、t;p><b>　　2.2材料的選擇 </b></p><p>　　2.2.1基體的選擇</p><p>　　現(xiàn)代汽車生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對材料提出越來越高的要求。而鋁基復(fù)合材料質(zhì)量輕，比強度和比模量高、抗熱疲勞性能與耐磨性好。以鋁基復(fù)合材料來制備發(fā)動機缸體在發(fā)動機輕量化，節(jié)能等各方面的要求；并且隨著復(fù)合材料的迅速發(fā)展而發(fā)展。本次發(fā)動機缸體設(shè)計的材料選用鋁基復(fù)

32、合材料，以A356鋁合金為基體，SiC為增強顆粒。</p><p>　　發(fā)動機基體鋁合金A356的成分，如表格1所示</p><p>　　表 1 基體鋁合金A356的成分</p><p><b>　　鋁合金的鑄造性能</b></p><p>　?。?）流動性 流動性是指合金液體的填充鑄型能力。流動性大小決定合金能否鑄造

33、復(fù)雜的鑄件。在鋁合金中共晶合金的流動性最好。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。實際生產(chǎn)中，在合金已確定的情況下，除了強化熔煉工藝外，還必須改善金屬型模具排氣及溫度，并在不影響鑄件質(zhì)量的前提下提高澆注溫度，保證合金的流動性。 </p><p>　?。?）收縮性 收縮性是鋁合金缸體鑄造的主要特征之一。一般講

34、，合金從液體澆注到凝固，直至冷卻，共分為3個階段，分別為液態(tài)收縮、凝固收縮和固態(tài)收縮。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。通常鑄件收縮又分為體收縮和線收縮，在實際生產(chǎn)中一般應(yīng)用線收縮來衡量合金的收縮性。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。</p><p>　　（3）氣密性 鋁合金缸體氣密性是指腔體型鋁鑄件在高

35、壓氣體或液體的作用下不滲漏程度，氣密性實際上表征了鑄件內(nèi)部組織致密與純凈的程度。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。同一種鑄鋁合金的氣密性好壞，還與鑄造工藝有關(guān)，如降低鑄鋁合金澆注溫度、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。</p><p>　　2.2.2增強體的選擇</p><p>

36、<b>　　增強體：SiC顆粒</b></p><p>　　顆粒增強體的平均尺寸是3.5-10µm，最細(xì)的為納米級，最粗的顆粒粒徑大于30µm。在復(fù)合材料中，顆粒增強體的體積含量一般為15%-20%，特殊的也可達(dá)5%-75%。</p><p>　　按變形性能，顆粒增強體可以分為剛性顆粒和延性顆粒。剛性顆粒主要是陶瓷顆粒，其特點是高彈性模量、高拉伸強

37、度、高硬度、高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。剛性顆粒增強的復(fù)合材料具有較強的高溫力學(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)。</p><p>　　選用顆粒增強的優(yōu)點是：材料的選擇方便，成本低，易于批量生產(chǎn)

38、。用纖維或者是晶須增強會增加成本，且不利于批量生產(chǎn)。</p><p>　　常用的顆粒增強體的性能見表格2，</p><p>　　表2 用的顆粒增強體的性能</p><p>　　常用于鋁基體中作增強顆粒的有：SiC、TiC、Al2O3等。</p><p>　　本次設(shè)計選用SiC作為鋁基復(fù)合材料發(fā)動機缸體的增強顆粒，是從增強顆粒的性能（如密度，硬

39、度等），制造成本等方面綜合考慮。</p><p><b>　　2.3 成型工藝</b></p><p>　　2.3.1成型工藝的種類</p><p>　　材料選擇的不同會使發(fā)動機缸體的性能不同，同樣不同的工藝過程會使材料的性能不同，工藝的進步會帶來產(chǎn)品技術(shù)的進步，可以直接體現(xiàn)在產(chǎn)品的性能、減重、成本、耐久性等各個方面。根據(jù)不同產(chǎn)品的需要進行合理

40、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。</p><p>　　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)濟的解決方案。</p><

41、p>　　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。</p><p>　　2.3.1.1 壓力鑄造</p><p>　　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

42、，即使如此也未必會導(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鑄件結(jié)構(gòu)中,使鑄件的內(nèi)部致密性差。這個缺點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，有可能進行補縮。以下途徑可以改善壓力鑄造的缺點:</p><p>　　(1) 在壓室和壓型中采用真空;</p><p>　　(2) 采用更科學(xué)

43、、更合理的澆注系統(tǒng);</p><p>　　(3) 采用半固態(tài)金屬來代替液態(tài)金屬。</p><p>　　2.3.1.2 低壓鑄造</p><p>　　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(0.01-0.05MPa)作用下，沿著升液管內(nèi)孔自下而

44、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）。</p><p><b>　　低壓鑄造的優(yōu)點：</b></p><p>　　1）鑄造材料利用率非常高，可以大幅度降低材料費和加工

45、費。</p><p>　　2）容易形成方向性凝固，內(nèi)部缺陷少，可以獲得完美鑄件。</p><p><b>　　3）可以使用砂芯。</b></p><p>　　而這種方法的缺點是生產(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。大量生產(chǎn)轎車缸體、缸蓋時,需要多臺機器和多套模具。&l

46、t;/p><p>　　圖 3. 低壓鑄造示意圖</p><p>　　2.3.1.3 COSWORTH方法</p><p>　　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</p><p>　　用電磁泵加壓．并對澆注過程進行精密控制。Cosworth 法（圖4a,b）：將鋁液從保溫爐輸送到型腔中時沒有能形成

47、新的氧化膜的攪動;型腔的充填由計算機控制,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,充型和凝固時間約為4.25min ,其中充型時間僅為10 s～12 s。電磁泵的利用率低，經(jīng)過改進的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。隨后將整個鑄型傾轉(zhuǎn), 此時電磁泵仍在工作, 當(dāng)鑄型被傾轉(zhuǎn)180°后電磁泵開始降低壓力以便處于橫澆道中

48、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行凝固。</p><p>　　圖4 COSWORTH方法</p><p>　　與其他鑄造工藝相比．COSWORTH工藝用于氣缸體設(shè)計具有以下優(yōu)點：</p><p>　　a．結(jié)構(gòu)設(shè)計可以非常靈活，對氣缸體的結(jié)構(gòu)設(shè)計幾乎沒有任何限制，在設(shè)計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

49、降低機加成本。</p><p>　　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。圖7所示為鋯砂和硅砂以及鑄鐵熱膨脹率的對比．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℃以上時熱膨脹率沒有突變。

50、</p><p>　　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。</p><p>　　2.3.1.4 金屬型鑄造</p><p>　　金屬型重力鑄造工藝特點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

51、鑄造好，是生產(chǎn)較高質(zhì)量鑄件的傳統(tǒng)方法。</p><p>　　國外鋁缸體金屬型重力鑄造生產(chǎn)線包括：</p><p>　　1）多工位轉(zhuǎn)臺或多工位直列式大批量鑄造系統(tǒng)；</p><p>　　2）通用型液壓全自動控制的金屬型重力鑄造機；</p><p>　　3）全自動澆注機器人、全自動下芯機械手和全自動取件機械手等輔助自動化系統(tǒng)；</p>

52、<p>　　4）配合自動化生產(chǎn)的多種物流輸送管理系統(tǒng)；</p><p>　　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落砂機；</p><p>　　6）多工位水密壓力檢測設(shè)備。</p><p>　　2.3.1.5 消失模鑄造</p><p>　　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

53、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。澆注時在液態(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，

54、可以減少機械加工工序。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，可減少機械加工量及加工工序。</p><p>　　2.3.1.6 精確砂型鑄造</p><p>　　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

55、。德國Alucast 鑄造廠采用1 種獨特的方法來進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臺射芯機, 利用芯盒上精確的定位銷、套系統(tǒng)進行自動砂芯裝配(圖5) 。每臺射芯機生產(chǎn)相應(yīng)的1 層砂芯,除第1 臺射芯機外,其余的射芯機皆將制造的砂芯滯留在上芯盒中,以便進行由上而下的組裝。 </p><p>　　圖 5 自動砂芯裝配圖

56、</p><p>　　2.3.2 成型工藝的選擇</p><p>　　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。它的基本特點是高壓(5-150MPa)和高速(5—100m/s)。充填時間很短，一般在0.01～0.2s范圍內(nèi)。壓鑄的主要特點是生產(chǎn)率高，平均每小時可壓鑄

57、50～500次，可進行半自動化或自動化的連續(xù)生產(chǎn)。產(chǎn)品質(zhì)量好，尺寸精度高，強度比砂型鑄造高20％-40％。但壓鑄設(shè)備投資大，制造壓鑄模費用高、周期長，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：</p><p>　　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，甚至可達(dá)4級；表面光潔度好，一般相當(dāng)于5～8級；強度和硬度較高，強度一般比砂型鑄造提高

58、25％～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)O.3mm；鋁合金鑄件可達(dá)0.5mm；最小鑄出孔徑為0.7ram；最小螺距為0．75mm。</p><p>　　其次是生產(chǎn)效率高。例如國產(chǎn)JⅢ3型臥式冷空壓鑄機平均8h可壓鑄600～700次，小型熱室壓鑄機平均每八小時可壓鑄3000～7000次。壓鑄模具壽命長，一套壓鑄模壓鑄鋁合金，壽命可達(dá)幾十萬次，

59、甚至上百萬次。</p><p>　　第三，經(jīng)濟效果優(yōu)良。由于缸體壓鑄件尺寸精確，表面光潔等優(yōu)點。一般不再進行機械加工而直接使用。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。既節(jié)省裝配工時又節(jié)省金屬。</p><p>　　2.4 發(fā)動機缸體工藝、工裝</p><p>　　2.4.1 鑄造工藝方案</p><p>　　正確的澆注位置應(yīng)能

60、保證獲得健全的鑄件。選擇鑄件的澆注位置，應(yīng)注意以下原則：</p><p>　　(1) 鑄件的重要加工面、主要受力面、寬大平面應(yīng)朝下，如果不能朝下，可將其側(cè)立或斜置。</p><p>　　(2) 對于厚薄不均勻的鑄件，應(yīng)將其厚大部分朝上，以利于冒扣補縮，實現(xiàn)定向凝固。</p><p>　　(3) 對于薄璧鑄件，應(yīng)將薄而大的平面朝下，有條件時，應(yīng)側(cè)立或傾斜，以避免冷隔、

61、澆不到等缺陷。</p><p>　　(4) 應(yīng)盡量減少砂芯的數(shù)量，少用吊芯、懸臂或芯撐，以利于砂芯在鑄型中的安放牢固、定位準(zhǔn)確、排氣通暢、檢驗和合型方便。</p><p>　　(5) 鑄件的合型、澆注、冷卻位置一致為宜，以免鑄型在翻轉(zhuǎn)過程發(fā)生錯位或損壞。</p><p>　　(6) 鑄件的澆注位置應(yīng)方便造型、下芯及合箱；便于型重要尺寸的檢查，并盡量簡化操作過程，降低

62、鑄件的制造成本，提高勞動生產(chǎn)率。</p><p>　　鑄型分型面應(yīng)考慮一下幾個原則：</p><p>　　(1) 應(yīng)盡可能將鑄件的全部或大部分放在下砂箱內(nèi)。</p><p>　　(2) 盡量把鑄件的加工定位面和主要加工面放在同一砂箱內(nèi)，以減少加工定位的尺寸偏差。</p><p>　　(3) 盡量減少分型面數(shù)量，以簡化造型操作，提高鑄型操作，提

63、高鑄型精度。</p><p>　　(4) 為便于合箱和檢驗砂芯，應(yīng)盡量使基本砂芯位于下鑄型。</p><p>　　(5) 盡量采用平直的分型面，以減少制造模樣等工藝裝備的工作量。</p><p>　　2.4.2 模具的設(shè)計</p><p>　　模具采用六面抽芯的結(jié)構(gòu)，主要由定模、動模、成型、澆注系統(tǒng)、抽芯機構(gòu)、頂出機構(gòu)、排氣系統(tǒng)、加熱保溫裝置

64、和定位導(dǎo)向系統(tǒng)等幾部分組成。</p><p>　　發(fā)動機缸體模具工作流程見圖6</p><p>　　圖6 模具工作流程圖</p><p>　　2.5 發(fā)動機缸體的加工流程</p><p>　　發(fā)動機缸體的加工流程如下所示：</p><p>　　制芯工藝→組芯工藝→造型工藝→下芯工藝→熔煉→澆注工藝→澆注系統(tǒng)設(shè)計→工藝

65、參數(shù)的選定→落砂、清理及檢測</p><p>　　2.5.1.制芯工藝</p><p>　　采用Z8025射芯機熱芯盒法制作缸筒芯，將射砂口設(shè)置在缸筒方向，為了減輕缸筒芯的重量，減少砂芯發(fā)氣量，便于砂芯排氣，利用下頂芯機構(gòu)，設(shè)置了減重模，從曲軸室方向?qū)ι靶具M行抽空，盡可能地減少砂芯的重量，這樣既減少了砂芯的發(fā)氣量，又方便設(shè)置砂芯的排氣通道；用Z8040射芯機熱芯盒法制作水套芯，用Z8612

66、射芯機熱芯盒法制作油道芯；用2ZZ8625射芯機熱芯盒法制作端芯、澆道芯和定位芯，利用其上下分模的結(jié)構(gòu)，將砂芯的背部減空，這樣既減少了覆膜砂的用量，又減少了砂芯的發(fā)氣量，同時增大了砂芯的排氣通道。</p><p>　　砂芯制出、修整好后，先浸(刷)水基石墨涂料，然后再經(jīng)紅外線烘干爐烘干(烘干溫度170～180℃，烘干時問50--60 min)。出爐后，等待澆注時間原則上不超過8 h，避免水基石墨涂料吸潮而增大砂芯

67、的發(fā)氣量。</p><p>　　2.5.2.組芯工藝</p><p>　　由于覆膜砂芯表面致密，內(nèi)部較疏松，為了確保水套芯排氣通暢，采取組芯前，先在工藝水孔處芯頭上鉆出少6 mm通氣孔的方法來排氣。為了保證鑄件缸筒和水套的壁厚均勻，首先將水套芯、油道芯和定位芯在專用夾具上組合在一起，采用熱熔膠粘接，然后再與缸筒芯和端芯進行組合，二次組合不用粘接，而靠砂芯芯頭相互定位，這樣易于更換，避免因個

68、別砂芯損壞而造成砂芯整套報廢。</p><p>　　2.5.3.造型工藝</p><p>　　采用氣沖生產(chǎn)線造型，生產(chǎn)節(jié)拍設(shè)置為40箱／}l，氣沖壓力設(shè)定為0．5 MPa，確保砂型的緊實度，避免澆注時沖砂。為了提高生產(chǎn)效率，結(jié)合砂箱尺寸，采用了一箱兩件的工藝。另外，氣沖造型線的分型方式為水平分型，因此要求工藝必須設(shè)置為臥澆工藝，而使用的型砂為濕型砂。為了保證砂刑的排氣性能，造型后將所有的排

69、氣孔全部引穿。砂型必須經(jīng)吹掃干凈、檢查合格后方可進入下芯工序。</p><p>　　2.5.4.下芯工藝</p><p>　　為了保證鑄件的整體精度，將組合好的砂芯放在下芯胎具上，利用下芯胎具對砂芯的組合質(zhì)量進行檢查，然后用專用下芯吊具將砂芯下入砂型中。為了確保下芯過程的平穩(wěn)性，對下芯吊具進行了專門設(shè)計，設(shè)計為三層框架結(jié)構(gòu)，保證下芯吊具與下芯胎具定位準(zhǔn)確后，吊具才能抓取砂芯，下芯吊具與砂箱

70、定位準(zhǔn)確后，砂芯再下人砂型內(nèi)，確保了砂芯在砂型內(nèi)的位置準(zhǔn)確無誤，從而保證了鑄件整體的尺寸精度。</p><p><b>　　2.5.5.熔煉</b></p><p>　　熔煉工藝的基本要求是：盡量縮短時間，準(zhǔn)確的控制化學(xué)成分，盡可能減少熔煉燒損，采用最好的精煉方法以及正確的控制溫度，以獲得化學(xué)成分符合要求，且純潔度高的熔煉。</p><p>　

71、　根據(jù)鋁合金不同，嚴(yán)格控制化學(xué)成分及雜質(zhì)含量進行配料計算，每一爐料所需的電解鋁液、中間合金及廢料裝入矩形天然氣熔鋁爐中進行快速融化后，經(jīng)扒渣、電磁攪拌，取樣分析鋁液的化學(xué)成分進行調(diào)整。成分合格與溫度符合工藝要求的鋁液，轉(zhuǎn)入傾動式保溫爐對熔體進行精煉、靜置、扒渣、調(diào)溫。鋁液再經(jīng)晶粒細(xì)化裝置細(xì)化晶粒和在線精煉過濾裝置除氣、過濾后，導(dǎo)入液壓半連續(xù)鑄造機進行鑄造。</p><p>　　2.5.6.澆注系統(tǒng)設(shè)計</p

72、><p>　　1 澆注系統(tǒng)類型的選定</p><p>　　由于中注式澆注系統(tǒng)具有沖型平穩(wěn)，鋁液對砂芯的浮力較小，抗氣孔、夾渣能力強，抗縮松(孔)、滲漏能力強的特點，且內(nèi)澆道在軸承座處，該處全部是砂芯形成，強度較好，澆注時不會發(fā)生沖砂現(xiàn)象，且采用臥澆工藝時水套芯在澆注過程中所受的浮力較立澆工藝大。而發(fā)動機缸體要求水壓、氣壓滲漏檢查，要求水套、缸簡壁厚均勻，內(nèi)部無鑄造缺陷，組織均勻。</p&

73、gt;<p>　　2 澆注系統(tǒng)和溢流冒口的結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　由于砂芯均采用覆膜砂，整體發(fā)氣量大，因此外型排氣系統(tǒng)必須以大排氣為原則。</p><p>　　為了保證水套芯產(chǎn)生的氣體順利排出，在外型工藝孔處設(shè)置了出氣針與水套芯內(nèi)設(shè)置的排氣通道相通，為防止鋁液從芯頭配合處鉆人砂芯內(nèi)的排氣通道，在關(guān)鍵部位安放了封火墊。為了便于缸筒芯、端芯、定位芯產(chǎn)生的氣體順利排出，我們在

74、外型的四角設(shè)置了較大的出氣棒直接通出砂型外。</p><p>　　2.5.7.工藝參數(shù)的選定</p><p>　　為了保證砂芯產(chǎn)生的氣體能夠及時、順利地排出，同時保證充型平穩(wěn)，避免卷氣，又考慮該產(chǎn)品為合金鑄鐵，為確保鐵液的充填能力，同時減短水套芯受高溫烘烤的時間，避免水套芯變形，保證鑄件壁厚均勻，防止產(chǎn)品滲漏。</p><p>　　2.5.8.落砂、清理及檢測<

75、;/p><p>　　缸體鑄件澆注后在砂型內(nèi)的冷卻時間應(yīng)視鑄件大小而定．一般設(shè)計都是在型內(nèi)冷卻1～1．5h后再開箱落砂，小缸體也有縮短到45min的。過早開箱落砂。缸體鑄件易開裂；鑄件在型內(nèi)冷卻時間過長，會使鑄件硬度降低。鑄件落砂后，最好用機械手將其抓進料箱內(nèi)繼續(xù)冷卻一段時間．再進行二次落砂。這樣做的好處是既能防止鑄件開裂，有利于應(yīng)力消除．又可避免砂芯混入舊砂中惡化型砂性能。缸體二次落砂十分必要，否則水套內(nèi)砂芯很難落干

76、凈，將影響清潔度和通水效果。</p><p>　　缸體鑄件一般進行兩次拋丸清理：第一次拋丸，將外表面、曲軸箱面拋打干凈；第二次用鼠籠拋丸機進一步將內(nèi)腔拋打干凈。為保證表面粗糙度要求，除應(yīng)選用大功率拋丸室．保證拋丸效果外．還應(yīng)選用O.8～1.5mm的細(xì)鋼丸。汽車缸體鑄件一般均采用專用清理磨床磨削前后端面、頂面、底面的毛刺、澆道及通氣針殘余，并用人工修整曲軸箱內(nèi)毛刺和清理水套內(nèi)的雜質(zhì)。</p><

77、p><b>　　具體過程如圖7：</b></p><p>　　圖7 缸體清洗流程圖</p><p>　　鑄件需要經(jīng)過一定的機加工才能成為產(chǎn)品圖?？梢杂脭?shù)控機床進行加工。對于圓孔可以用車床進行加工。</p><p><b>　　2.6 質(zhì)量控制</b></p><p>　　2.6.1 原材料的選

78、擇</p><p>　　選擇金屬基復(fù)合材料作為此次設(shè)計的材料主要考慮有以下的特點：</p><p>　?。?）高的比強度、高的比模量；</p><p>　　（2）導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能好；</p><p>　?。?）熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好；</p><p>　?。?）良好的高溫性能；</p><p>

79、;<b>　　（5）耐磨性好；</b></p><p>　　（6）良好的疲勞性能和斷裂韌性；</p><p>　　（7）不吸潮、不老化、氣密性好。</p><p>　　而又由于汽車的輕量化要求故選擇鋁基復(fù)合材料。復(fù)合材料的選擇性能與基體、增強體、界面、增強體在基體中的分布，體積分?jǐn)?shù)等都有很大的影響?；w決定了復(fù)合材料的最基本的性能，增強體可以改

80、善基體的性能。體積分?jǐn)?shù)的大小對材料的性能的影響也很明顯，在實際的發(fā)動機缸體生產(chǎn)中，增強體的用量還不是很大。改善其顆粒在基體中的分布的解決的方法有：</p><p>　　（1）對增強體進行適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚?，使其浸漬基體速度加快；</p><p>　?。?）加入適當(dāng)?shù)暮辖鹪馗纳苹w的分散性；</p><p>　?。?）施加適當(dāng)?shù)膲毫?，使其分散性增大?lt;/p>

81、<p>　　（4）施加外場(磁場,超聲場等)</p><p>　　2.6.2 成型工藝的控制</p><p>　　2.6.2.1 鑄造中的主要缺陷有：</p><p><b>　　(1) 氣孔</b></p><p>　　缸蓋的氣孔缺陷是所有機型的氣缸蓋在生產(chǎn)中所共存的較為嚴(yán)重的問題，在實際生產(chǎn)中，造成氣

82、孔缺陷的主要因素有：</p><p>　　① 芯子的排氣不良：② 型腔排氣不充分：③ 澆注溫度較低：④ 澆注時氣體卷入；⑤ 涂料發(fā)氣量太大。</p><p>　　合理控制氣孔缺陷的措施有：① 增強模型的排氣；② 液態(tài)金屬去氣后應(yīng)立即澆注，不可停留過久，以防再吸氣；③ 快速凝固，使氣體來不及析出；④ 使液態(tài)金屬在壓力下凝固；⑤ 在鑄型內(nèi)安放過濾片以除去金屬液中的渣和氣體；⑥ 涂料的發(fā)氣量要低

83、，且施涂后一定要充分干燥。</p><p><b>　　(2) 砂眼</b></p><p>　　砂眼也是缸體、缸蓋鑄件的常見缺陷，多見于鑄件的上型面，也有在缸筒內(nèi)表面經(jīng)加工后暴露出來的。</p><p><b>　　原因:</b></p><p>　　(1) 澆注系統(tǒng)設(shè)計不合理；</p>

84、;<p>　　(2) 型砂系統(tǒng)管理不善，型砂性能欠佳；</p><p>　　(3) 型腔不潔凈；</p><p>　　(4) 砂芯表面狀況不良或是施涂與干燥不當(dāng)。</p><p><b>　　對策:</b></p><p>　　(1) 就澆注系統(tǒng)設(shè)置方面來說，為避免或減少砂眼缺陷，應(yīng)注意以下事項：</

85、p><p>　　① 要有合理的澆注速度。截面太小，則澆注速度太慢，鐵液上升速度太慢，上型受鐵液高溫烘烤時間長，容易使型砂爆裂，嚴(yán)重時會成片狀脫落。澆注系統(tǒng)的截面比例，應(yīng)使鐵液能平穩(wěn)注入，不得形成紊流或噴射；</p><p>　?、?盡量使鐵液流經(jīng)的整個通道在砂芯內(nèi)生成，通常芯砂(熱法覆膜砂或冷芯砂)較之砂型粘土砂更耐高溫鐵液沖刷。而直澆道難以避免設(shè)置在粘土砂砂型中通過，這時可在直澆道與橫澆道搭

86、接處設(shè)置過濾器(最好是泡沫陶瓷質(zhì))，可以將鐵液在直澆道內(nèi)可能沖刷下來的散砂和鐵液夾渣加以過濾，減少砂眼和渣眼；</p><p>　　③ 澆道是變截面的，因此變截面處應(yīng)盡可能圓滑光潔，避免形成易被鐵液沖垮的尖角砂；</p><p>　?、?澆道的截面比例宜采用半封閉半開放型式，以降低鐵液進入型腔時的流速與沖擊，而內(nèi)澆道位置應(yīng)盡可能避免直接沖擊型壁和型芯，且呈擴張形為好。</p>

87、<p>　　(2)為防止砂眼缺陷，型砂方面的主要措施是：</p><p>　?、?控制微粉含量。型砂在反復(fù)使用中，微粉含量會越來越高，這會降低型砂的濕壓強度，水分及緊實率則會提高，使型砂發(fā)脆；</p><p>　?、?澆注時砂芯潰散后混入舊砂，未燃盡的殘留樹脂膜會使型砂的韌性變差，產(chǎn)生砂眼的可能性也增大。為此需要改善型砂的表面穩(wěn)定性，降低脖陛、提高韌性，方法是在型砂中添加適當(dāng)?shù)?/p>

88、d～淀粉，也有的改用F's粉，均可取得良好的效果，也可以在型</p><p><b>　　腔表面噴灑增強劑。</b></p><p>　　(3)在造型、翻箱，特別是下芯、合型等各環(huán)節(jié)容易將砂粒掉入型腔，而又未能清理干凈，極易造成鑄件砂眼缺陷。為此，一是要選取恰當(dāng)?shù)男绢^間隙和斜度并保證下芯和合型的工裝精度，以免碰壞砂型或損壞型芯而將砂粒散落在型腔內(nèi)；二是合型前清

89、理干凈型內(nèi)可能掉人的砂粒(抽吸法好于吹出法)。</p><p>　　(4)不能忽視的是，砂芯的飛邊毛刺要清理干凈，上涂烘干后待用的砂芯表面的砂粒灰塵也要吹凈，否則容易被鐵液沖刷并富集在鑄件某處形成砂眼。同時，需要強調(diào)的是，砂芯上涂不能太厚，尤其是當(dāng)工藝要求個別砂芯的個別部位或全部兩次浸滲涂料時，必須等第一次上涂料干燥到一定程度后才能上涂第二層，否則澆注澆注時過厚的涂料會爆裂而形成夾砂(渣)。</p>

90、<p><b>　　(3) 脈紋</b></p><p>　　通常在鑄件的內(nèi)表面或熱節(jié)部位，如缸體缸蓋的水套腔內(nèi)，或是進排氣道內(nèi)，由于澆注時高溫鋁液的作用，使砂芯硅砂發(fā)生相變膨脹在砂芯表面產(chǎn)生裂縫，液體金屬滲入其中，從而導(dǎo)致鑄件形成飛翅狀凸起的缺陷，即“脈紋”。脈紋一旦出現(xiàn)，難以清理。當(dāng)水套腔內(nèi)有脈紋時，輕者會影響內(nèi)腔的清潔度，重者會影響冷卻水的流量，從而降低對發(fā)動機的冷卻效果，

91、甚至?xí)稹盁住?、“拉缸”?yán)重后果；當(dāng)氣道內(nèi)出現(xiàn)脈紋時，會影響氣道渦流特性，最終影響發(fā)動機的整機工作性能。生產(chǎn)實踐表明，冷芯工藝產(chǎn)生脈紋的傾向要稍大于殼芯產(chǎn)生脈紋的傾向。</p><p><b>　　原因:</b></p><p>　　(1) 如上所述，產(chǎn)生脈紋的根本原因是高溫鐵液作用于砂芯引起硅砂的膨脹裂紋；</p><p>　　(2) 砂

92、芯材料不具備低膨脹的性能，或者其自身不能吸收這種受熱產(chǎn)生的膨脹；</p><p>　　(3) 砂芯的韌性或高溫強度不足以克服膨脹應(yīng)力，導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋；</p><p>　　(4) 所用涂料不能抵御砂芯在高溫下產(chǎn)生膨脹裂紋；</p><p>　　(5) 鐵液未能在砂芯產(chǎn)生裂紋前凝固結(jié)殼，從而產(chǎn)生脈紋。</p><p><b>　　解決方

93、法:</b></p><p>　　(1) 在保證能得到健全鑄件而又不產(chǎn)生氣孔等缺陷的鐵液充型溫度下，盡可能采取較低的澆注溫度以減輕砂芯受熱膨脹的程度；同時采用較快的澆注速度，以避免砂芯長時間受到高溫烘烤可能產(chǎn)生的膨脹裂紋；</p><p>　　(2) 用于易產(chǎn)生脈紋砂芯(如水套芯、進排氣道芯)的芯砂原砂預(yù)先進行消除相變膨脹處理，或者在砂芯材料中添加一些輔助材料，降低砂芯材料的熱

94、膨脹率；再就是原砂的顆粒組成以三篩或四篩級配，以求砂芯材料能自身吸收膨脹變形；</p><p>　　(3) 必要時，在砂芯材料中使用一定比例的非石英系列砂(如橄欖石砂、鋯英砂等)，它們的膨脹率極小，而且導(dǎo)熱性好，使鐵液結(jié)殼時間早于砂芯相變膨脹開裂時間； </p><p>　　(4) 提高砂芯材料的韌性和高溫強度；</p><p>　　(5) 使用強度、韌性優(yōu)良，且導(dǎo)

95、熱性能好的燒結(jié)型涂料，以增強砂芯表面抗膨脹裂紋的能力。</p><p>　　以上這些措施既適用于冷芯砂，也適用于熱法覆膜砂(殼型砂)。由此看出，預(yù)防或減覆膜砂(殼型砂)。由此看出，預(yù)防或減少脈紋缺陷的主要措施是改善砂芯膨脹性能。</p><p><b>　　(4) 滲漏</b></p><p>　　滲漏是指缸體、缸蓋在壓力試驗(水壓／氣壓)時的

96、泄漏現(xiàn)象，多發(fā)生在水套腔或是油道腔。</p><p>　　引起滲漏的原因有夾雜和疏松兩大類。實際生產(chǎn)中，缸蓋滲漏的主要是由缸蓋件在凝固過程中產(chǎn)生的收縮缺陷引起的。缸蓋鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁厚差別較大，在鑄件在凝固過程中，由于合金的液態(tài)收縮和凝固收縮，補縮不足，會在鑄件最后凝固的部位出現(xiàn)孔洞。</p><p>　　造成收縮缺陷的原因有：</p><p>　　① 鑄件壁厚不均

97、勻；② 澆注溫度偏高；③ 金屬液收縮傾向較大；④ 金屬型澆注系統(tǒng)設(shè)計不合理。</p><p>　　針對滲漏缺陷產(chǎn)生的原因，比較常見的控制方法有： </p><p>　?、?在不影響鑄件工作要求的情況下，適當(dāng)改變鑄件結(jié)構(gòu)；② 對局部熱節(jié)處應(yīng)采用強制冷卻，如設(shè)置冷卻系統(tǒng)、放置冷鐵和噴涂料等；③ 采用合理的充型速度、澆注溫度及型溫；④ 設(shè)計合理的補縮系統(tǒng)(如冒口、補襯等)。</p>

98、<p>　　2.6.2.2 工藝參數(shù)的控制 </p><p><b>　　（1） 壓力的影響</b></p><p>　　壓力大小對鑄件的物理力學(xué)性能、鑄造缺陷、組織、偏析、熔點及相平衡等都有直接影響。所以確定成形必須的單位壓力是很重要的。如果比壓過小，鑄件表面與內(nèi)在質(zhì)量都不能達(dá)到技術(shù)指標(biāo)；比壓過大，對性能的提高不十分明顯，還容易使模具損壞，且要求較大合

99、模力的設(shè)備。擠壓鑄造試驗是在2000kN油壓機上進行的。適合于鋁合金壓力鑄造的比壓應(yīng)在50～60MPa范圍內(nèi)選取。</p><p><b>　　（2）加壓的時間</b></p><p>　　在發(fā)動機缸體壓力鑄造的過程中，其加壓開始時的間隔時間過長，加壓時間控制在30ms以內(nèi)，鑄件的強度及伸長率降低，合金液無法在壓力凝固，易造成氣孔縮松。</p><

100、p><b>　　（3）加壓速度</b></p><p>　　擠壓鑄造要求一定的加壓速度，在可能情況下，以加壓速度快一點為好。加壓速度快，則凸模能很快地將壓力施加于金屬上，便于成形、結(jié)晶和塑性變形。但也不宜過快，否則會使部分合金熔液的表面產(chǎn)生飛濺及渦流，使鑄件產(chǎn)生缺陷，以及在凸、凹模之間的間隙中流出過多的合金熔液，形成難以去除的縱向毛刺。因此，必須使凸模緩慢地壓入液態(tài)金屬中。由于使用的油

101、壓機工作進給速度較慢，故利用工作行程的速度進行壓制。鋁基復(fù)合材料制成的發(fā)動機缸體的加壓速度應(yīng)該控制在25～30m／s。</p><p><b>　?。?）保壓時間</b></p><p>　　壓力保持時間主要取決于鑄件厚度，在保證成形和結(jié)晶凝固條件下，保壓時間以短為好。但是保壓時間過短，則鑄件內(nèi)部容易產(chǎn)生縮孔，如果保壓時間過長，鑄件溫度低，收縮大，抽芯和頂出鑄件時的阻

102、力大，不僅出模困難，同時容易引起鑄件開裂，同時會延長生產(chǎn)周期，增加變形抗力，降低模具使用壽命。保壓時間按照每lmm壁厚需要3s時間計算，從產(chǎn)品圖中可以知道壁厚為5mm,故其保壓時間應(yīng)在15s左右。</p><p>　　（5 ）模具預(yù)熱溫度</p><p>　　模具若不預(yù)熱，合金熔液注入型腔后會很快凝固，導(dǎo)致來不及加壓；但預(yù)熱溫度也不能過高，否則會延長保壓時間，降低生產(chǎn)率，同時也不利于噴涂潤

103、滑劑。對本次設(shè)計的鋁基復(fù)合材料預(yù)熱溫度為150-180℃，通常是用煤油噴燈進行加熱。在生產(chǎn)過程中，模具溫度對產(chǎn)品和模具壽命影響很大，溫度偏高易產(chǎn)生粘模，零件表面粗糙，還會產(chǎn)生縮孔和裂紋。由于粘模，開模時摩擦力加大，其局部拉力成倍提高，使模具局部動作不能準(zhǔn)確自如，造成模具損壞，形成一系列不良影響。模具不同部位的冷卻水量可調(diào)。模具外冷卻也很重要，與脫模劑噴淋的位置、方向及程序(時間)有很大關(guān)系，脫模劑性能及用量會影響模具和產(chǎn)品質(zhì)量。實踐表明

104、，動、靜模同等部位溫差太大，產(chǎn)品相應(yīng)部位易出現(xiàn)鑄造缺陷，特別是裂紋缺陷。若粘模和受力過大，往往會加速模具的熱疲勞，使局部過早地產(chǎn)生龜裂，因此，模具的保養(yǎng)也極其重要。</p><p><b>　?。?）合金澆注溫度</b></p><p>　　澆注溫度過高或過低都對合金成形有明顯影響。過低，合金極易凝固，所需單位壓力大；過高，易產(chǎn)生縮孔。必須指出，擠壓鑄造合金的澆注溫度

105、要比砂型澆注溫度高。一般希望把澆注溫度控制在比較低的數(shù)值，因為擠壓鑄造時希望消除氣孔、縮孔和疏松。在澆注溫度低時，氣體易于從合金熔液內(nèi)部逸出，極少留在金屬中，易于消除氣孔。此外，也可減少縮孔形成機會，同時由于澆注溫度較低，金屬溢出較少，可減少毛刺。本次對發(fā)動機缸體的澆注溫度控制在640℃-680℃。</p><p><b>　?。?） 冷卻</b></p><p>　

106、　壓力鑄造卸壓后，一般應(yīng)立即脫模，故鑄件的出模溫度較高。為了防止高溫的鑄件空冷時在薄壁與厚壁的交界處產(chǎn)生裂紋，應(yīng)將出模后的鑄件立即放砂堆中，待冷卻到150℃以下時再取出空冷。</p><p>　　2.6.3 后續(xù)的加工與處理</p><p>　　經(jīng)過鑄造出來的鑄件需要經(jīng)過后續(xù)的加工才能符合要求。</p><p>　　對于材料本身的性能的檢測，如復(fù)合材料的強度測試可以

107、用拉伸實驗，硬度檢測用布氏硬度（或洛氏硬度，維氏硬度）測試，耐磨性檢測。對于性能不符合要求的，必要的話可以進行熱處理。</p><p>　　發(fā)動機缸體的外形需要在機床上進行加工，用數(shù)控機床可以精確，方便地得到成型產(chǎn)品。</p><p>　　對于發(fā)動機缸體的性能，如氣密性的檢測用水槽實驗，表面的粗糙度的檢測等。</p><p><b>　　第三章 總結(jié)<

108、;/b></p><p>　　通過本次課程設(shè)計，理解了一些平時未曾知道的內(nèi)容，并且深刻地感覺到自己基礎(chǔ)知識和知識體系的缺乏。一件產(chǎn)品的制造有廣闊的知識和綜合的能力，以前學(xué)習(xí)的是材料方面的性能和成型方法的相關(guān)內(nèi)容，而對于成型工藝流程等涉及很少并且對于模具設(shè)計方面的知識也是寥寥無幾。想要完成一份出色的產(chǎn)品設(shè)計是一個慢慢積累的過程，所以要努力的從現(xiàn)在做起。同時通過本次課程設(shè)計，對于鋁基復(fù)合材料在汽車發(fā)動機缸體上的

109、相關(guān)知識有了了解，由于鋁基復(fù)合材料在制造成本和工藝方面的不完善使得其在汽車的實際生產(chǎn)中的應(yīng)用有限制。</p><p>　　隨著汽車輕量化的要求和鋁基復(fù)合材料研究的深入，將使得鋁基復(fù)合材料在性能，制備工藝等方面有很大的突破。相信在不久的將來鋁基復(fù)合材料在汽車發(fā)動機缸體上的應(yīng)用將越來越廣泛。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p&

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