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1、汽车发动机缸体缸盖消失模铸造技术的研究与应用【摘要】 为了降低发动机单位功率的重量指标、油耗指标及尾气排放指标，我们研究并开发了消失模铸造直列四缸二气门下置凸轮柴油机缸体、缸盖产品。通过优化设计产品结构工艺、铸造环节流程工艺和铸铁材料性能，使每台套缸体、缸盖消失模铸件产品与普通砂型铸件相比，技术性能指标达到设计要求，生产成本大幅下降。 一、概述 发动机缸体、缸盖的制造水平是衡量一个国家制造业水平的重要标志之一，在很大程度上代表了一个国家汽车工业的发展水平。不断提高发动机功率，降低燃油消耗量和减少尾气排放是汽车工业自身发展的内在需求，也是外部环境的客观要求。铝合金材料的选用使发动机乃至整车的重量
2、得到了有效减轻，促进了汽车工业的发展。但是，汽车技术的进步对原材料、能源的节约和环境保护提出了更高的规范要求，使发动机的比功率( k W/ 排量L) 越来越大，导致发动机缸体、缸盖的工作温度普遍提高，许多局部区域工作温度已经超过了200 ( 正常工作温度为105 左右) ，一方面，铝合金的力学性能会下降很快，显得不堪重负；另一方面，如此的高温使机油的润滑和导热作用变弱，而铸铁材料在此温度下仍然能正常工作并表现出优异的性能。 目前，解决铝合金在高温及常温下力学性能不高的措施，是在缸体、缸盖连接螺栓处和缸体与轴承盖连接螺栓处进行镶铸灰铸铁，以加固螺纹件或灰铸铁连接板。这样做，一方面增加了铸造的技术
3、难度和零部件的重量，使制造成本上升；另一方面由于铝合金与灰铸铁的膨胀系数有差别，所以在发动机工作情形下容易产生疲劳裂纹和镶铸件的松动缺陷。 纵观铸造产品成形的全过程，铝合金的耗能要比铸铁高；而铸铁产品的防振能力、自润滑能力和高温力学性能远大于铝合金。因此可以预见，普通灰铸铁、高牌号孕育铸铁、合金铸铁、蠕墨铸铁和球墨铸铁等材质的汽车零部件将越来越多地受到人们的重视。尤其是蠕墨铸铁件，作为一种发动机新材料，蠕墨铸铁与普通灰铸铁相比，抗拉强度提高了约75 %，弹性模量增加近40 % ，疲劳强度几乎是灰铸铁的2 倍，用蠕墨铸铁取代灰铸铁生产的发动机缸体至少可减轻重量10 % ，同时大大降低了疲劳变形和
4、柴油机的污染物排放量。国外已在大功率柴油机发动机件上普遍采用蠕墨铸铁材料，其具备接近球墨铸铁的强度，有类似普通灰铸铁的防振、导热能力及铸造性能，且又较普通灰铸铁有更好的塑性和耐疲劳性能。总之，从目前合金材料的实际应用看，铸铁件的力学性能与高温性能可满足汽车发动机未来发展的要求。 消失模铸造的基本原理是采用与所需铸件形状完全相同的泡沫塑料模，并加合金收缩率后代替铸模进行造型，泡沫模样不取出呈实体铸型，在浇入金属液使其气化后形成铸件。 与传统的砂型铸造相比，消失模铸造具有以下优点： ( 1) 取消了混砂、制芯工序，省去了传统造型工序中分箱、起模、修型、下芯及合箱等操作，大大简化了落砂、铸件清理及砂
5、处理工序，因而缩短了生产周期。 ( 2) 一方面由于在负压下铸型刚度大，铸铁件易于实现自补缩，从而减小铸件所需的冒口尺寸；另一方面由于泡沫模型簇的组装自由度大，易于实现一型多件浇注成形，提高了工艺出品率。 (3) 消失模铸件机械加工余量小( 2. 5 3. 5mm) ，壁厚均匀度高，孔径大于7mm 的内部型腔都可以直接铸出，铸件重量同比普通砂型铸件减轻8 %12 % 。 ( 4) 消失模造型干砂中无需粘结剂和添加物( 煤粉、膨润土、水) ，既节约了大量的原材料，又有利于旧砂循环使用，减轻环境污染。 安徽全柴集团有限公司于1994 年从美国引进了一条完整的消失模铸造生产线和相关的生产技术，包括预
6、发泡机、制模机、胶合机、机械手、干砂造型和负压浇注生产线，经过10 余年的消化吸收与艰苦探索，先后自主研究开发了两大系列7 个品种的消失模铸造普通灰铸铁和高牌号孕育铸铁柴油机零部件产品。 本文重点介绍直列四缸二气门下置凸轮柴油机缸体、缸盖消失模铸造工艺的关键技术与应用状况。 二、泡沫模型结构工艺设计 汽车发动机缸体、缸盖消失模泡沫模型的结构复杂系数为一级，在实际生产过程中很难将其一次性发泡成形。我们参照零件的自身结构和消失模铸造工艺特点,将产品泡沫模型进行分片处理，并对每个模片进行结构工艺设计，以利于发泡成形。每个产品泡沫模型分片数量的多少及模片结构工艺设计的优劣，直接关系到消失模铸造工艺项目
7、的成败和生产效率的高低。1. 发动机缸体泡沫模型结构工艺设计 ( 1) 目前，国内外在柴油机和汽油机发动机缸体的泡沫模型的结构工艺设计上有较大差异，从分片方案到模片的工艺处理均不尽相同。欧美国家在分片方案上多采用自缸盖结合面至油底壳面水平切分( 包括“V” 形和直列式缸体) 的方式，如图1 所示。这种分型方案的优点是有利于实现自动化大批量生产，且胶合线互不干涉，胶合质量有保证； 不足之处是胶合线较多且大部分分布在非加工面上，外观的整体美感不及普通砂型铸造件。与之配套的模片工艺处理较大的地方是将曲轴箱沿起模方向进行局部封实和镂空处理，如图2 所示。 这种模片工艺处理方案的优点是有利于实现模具结构
8、的简化，进而对模片的发泡成形稳定性和提高制模效率有积极的推动作用； 不足之处是尽管在模片的局部厚大处采取了等壁厚镂空处理，以尽量减少由于局部封实而带来的铸件重量增加，但由于受到起模高度和模片对孤岛状芯模的强大包紧力作用的限制，所以使镂空处理的效果难如人意。图1 水平布置图2 局部封实式曲轴箱结构 ( 2) 亚洲一些国家的发动机缸体消失模工艺方案大致可归结为两种类型： 以日本为代表的外形整体制模、内部镶嵌缸套式工艺( 如图3 所示) 。以中国为代表的水平分型与竖直分型相结合的工艺( 如图4 所示) 。图4 水平分型与竖直分型结构工艺 外形整体制模、内部镶嵌缸套式工艺分型方案的优点是主体模型的刚性
9、好，外形美观，用胶量小，尺寸精度高，缸套单独制模减小了模片的发泡成形难度； 不足之处是缸套模片与外形整体模片胶合时在竖直方向上出现了贴合面，当完全依靠机械化操作时不能保证胶合质量，必须用人工补胶的手段来配合，这既降低了生产效率，又给质量的稳定性带来了隐患。与之配套的模片工艺处理较大的地方是将曲轴箱沿起模方向进行局部封实，并从曲轴箱的外壁在局部封实部位作等壁厚镂空内凹处理，如图5 所示。图5 局部内凹式曲轴箱结构工艺 这种模片工艺处理方案的优点是既能最大限度地减轻铸件的重量，又能有效地减小泡沫模片对侧面芯块的包紧力( 镂空处理所用的成形芯块可安装在侧面整体式抽芯模板上) ，使泡沫模片成形质量得到
10、提高。与之配套的曲轴箱凸模模具采取了整体式脱模与局部滑块相结合的成形工艺，其优点是增加了泡沫模片成形的灵活性，并减少了零件结构堵实面积； 不足之处是制模工序变得复杂，既延长了泡沫模片的制模周期，又缩短了模具的使用寿命。水平分型与竖直分型相结合工艺方案的优点是既保证了曲轴箱的原始结构设计不变，又实现了泡沫模片制模的自动化，能够满足大批量生产的需要。发动机设计的理念是在满足使用性能的前提下尽量减轻各个零部件的重量，因此曲轴箱的原始设计其结构是相当复杂的( 如图6 所示) ，内腔有密布的强化筋条和强化幅板，这些结构用普通砂型铸造工艺是容易实现的，而用消失模成形工艺采取竖直方向起模却无法达到顺利脱模的
11、目的。如果采用图4 所示的分型方案，就可将产品竖直方向的结构按水平制模工艺来发泡成形了，铸件的重量不额外增加。与普通砂型铸造的缸体铸件相比单件重量减小10kg 左右，不仅降低了生产成本，也提高了铸件的质量和发动机的性能; 不足之处是水平胶合线与竖直胶合线有交叉，易在此处出现胶合不良现象。补救的办法是先人工检查再涂敷密封胶，图7 为实物铸件。图6 砂型铸造衢州箱体结构图7 长行程增压中冷干式缸套四缸缸体 缸盖 综合以上国内外几种有代表性的发动机缸体消失模工艺方案，根据多年的生产实践，我们认为对于要求大批量生产的汽车发动机缸体消失模铸件而言，采用水平分型和将曲轴箱沿起模方向进行局部封实，并从曲轴箱
12、的外壁在局部封实部位作等壁厚镂空内凹处理的完全自动化的制模和胶合方案较佳。 2. 发动机缸盖泡沫模型结构工艺设计目前，国内外在柴油机和汽油机发动机缸盖的泡沫模型的结构工艺设计上有少许不同，而分型方案的处理渐趋一致，这主要是出于泡沫模片的成形质量、脱模的便利性和整体模型的胶合质量来考虑的；而泡沫模型的结构工艺设计上有少许不同主要是由于铸件的材质不同而采取的相应措施。由于铝合金的浇注温度在720 左右，铁合金的浇注温度在1440 左右，如此大的浇注温差导致了在铝合金消失模铸造工艺上能实现的结构( 如7mm 以上的孔很容易直接铸出) ，在铁合金消失模铸造工艺上却难以实现( 如&#
13、1091260;12mm 以下的孔直接铸出时很容易出现粘砂和堵实现象) ，这就要求我们针对不同的铸件材质来设计相应的消失模铸造工艺结构。但是无论铸件的材质如何变动，其铸件的泡沫模片的成形质量、脱模的便利性和整体模型的胶合质量方面的要求是一样的。对于发动机缸盖的泡沫模型分型方案比较一致的做法是水平逐层切割，原则是保证包含进排气道的模片能在两开合的模具结构中实现顺利脱模。 如图8 所示，发动机缸盖泡沫模型水平逐层分割成4 只模片，各自单独发泡成形后按顺序胶合成一个整体。这种作业方式的优点是有利于组织实现自动化大批量生产，且制模质量稳定。图9 所示为一典型的发动机缸盖泡沫模型簇浇注工艺方案。这是一次
14、造型一箱6 件缸盖铸件的浇注工艺方案，其浇注系统的设计按均衡凝固理论，采取A直A横1A横2A内= 11. 22. 21. 6 。其优点是铸造工艺出品率高，可达80 % ，且每两只缸盖泡沫模型组装成的小模型簇有利于实现机械手自动化浸涂料的生产工艺，可极大地提高劳动生产率，稳定产品的质量。图9 发动机缸体缸盖浇铸工艺方案三、发动机缸盖消失模铸造工艺的生产实践 1. 技术要求 缸盖材质为HT250，化学成分为wCu = 0. 6 % 1. 0 %，wCr = 0. 3 % 0. 5 %，抗拉强度250 MPa；铸件需经消除内应力处理，硬度为187 255 HBS，硬度差不大于40 HBS ( 在气门
15、座孔附近检查)；未注明铸造圆角半径为3 5mm，起模斜度为12，未注壁厚为5 + 1- 0. 5mm；加工后进行水压试验，在0. 4 MPa 压力下2min 不得有渗漏现象。 2. 消失模铸造原材料的应用 珠粒成分为ST MMA ( 80 %P MMA+ 20 %EPS)，属于一种高分子聚合物，在生产时，用戊烷作为添加剂，使其反应发泡。因为戊烷的挥发度为27 ( 异戊烷) ，所以该产品的保存方式为 15 或直接冷藏，并应建立完善的检测手段，要保证预发珠粒在制模时的戊烷含量在8 % 9. 5 %。ST MMA 原始珠粒直径为0. 3 0. 5 mm，预发密度为21g/ L 。热溶胶成分为碳氢化合物树脂，闪点为232 ，密度为0. 92g/ cm3，固含量为99 %，颜色为琥珀色，在82 以下有足够的粘结强度。涂料成分为铝硅酸盐耐火原料、软化水溶剂、有机物固定剂、有机物流动性控制剂和灭菌剂。涂料粘浆稀释前最好先拌匀然后放置过夜，搅拌器需具备可变速电动机和一个有相当容量及缓冲板装置的容器，搅拌时不要把空气泡卷入粘浆里。另外，搅拌速度会显著地影响涂层的粘滞性，因此，产生最好效果的理想速度确定以后，应维持使用这一搅拌速度。 铁合金消失模铸造之所以选用共聚物P MMA 作为主要原材料来制造模型，主要有以下几个方面的原因： (
