（材料加工工程专业论文）汽车发动机镁合金罩盖的研制.pdf

沈r i 业人学硕十学位论文 摘要 目前，汽车发动机罩盖多采用铝合金、钢铁、工程塑料等材料制造。镁合金作为最 轻的工程会属材料，有着优良的铸造性能和机械加工性能，同时具有良好的减震性和屏 蔽性。随着汽车工业的高速发展和提高汽车产品轻量化、节能降耗、降低噪声、减少排 污和提高安全性能的要求，镁合金已成为替代铝合金、钢铁和工程塑料的理想材料。 本文主要研究内容是开发一种汽车发动机镁合金罩盖，用于替代原来的钢板冲压 件，降低发动机噪音，减轻重量。研究内容包括：汽车发动机镁合金罩盖结构与压铸模具 设计，压铸工艺设计与优化，罩盖组织分析与性能检测等。研制过程中选用了a l l 5 0 和a z 9 l d 两种镁合金进行对比实验，熔炼过程采用六氟化硫( s r ) + 高纯氮气( n 。) 气体保护， 在瑞士e v o l u t i o n5 3 d 冷室镁合金压铸机上进行压铸，压铸件表面采用微弧氧化与喷 塑工艺处理。结果表明，采用a z 9 1 d 镁合金压铸的罩盏具有较高的力学性能，经过t 6 热处理后，抗拉强度达到了2 4 5 m p a ，布氏硬度达到了7 0 ，延伸率为8 ，弹性模量为4 2 g p a ， 完全可以满足罩盖的性能指标要求；优化的压铸工艺参数为：模具加热温度为2 4 0 ， 加热管温度为2 5 0 ，冷却管温度为2 5 ，镁合金的浇注温度为6 7 0 ，压头压射速度 为6 m s ：压铸后的罩盖成形完整，表面质量良好，内部无明显缺陷。 本研究使用a z 9 l d 镁合金进行了罩盖的试生产，并将镁合金罩盖进行了实际安装和 运行考核，结果表明：安装镁合会罩盖的汽车发动机运行正常，噪声明显降低，达到了 预期的目标。 关键词：镁合金，罩盖，压铸工艺，性能 汽车发动机镁合金罩盖的研制 d e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ee n g i n ec o v e rm a d eo f m a g n e s i u ma l l o y a b s t r a c t c u n e n t i y ，a m o 啪b i i ee n g i c o v e ri sm o s t l ym a d eo fa l 岫i 蝴a l l o y i m n 卸d 鼬l ， e n g i r i e e r i n gp l a s t i c sa n ds 0o n m a 印e s i u ma l l o y ，私也el i g i i t e s te n g i i l r i n g 眦t a lm a t e r i a i ， h a sg o o dc 羽瞳i i l gp | o e r t y ，m e c h 卸i c a ip r o c 鹤sp r o p t 硼mh i g h 蛳i i l gp r o p e t ya n ds l l i e l d p r o p c r t y 鹊w e n w i t l lt l l e 栩脚dd e v e l o p l n e n lo fa m o m o b i l ei i l d l l s t r ya l l dn l ei n c i e 嬲i n g d e m a i l df o r 跏t o m o t i v ep r o d u c t s 谢t l ll i g h tw e i g l l t m o 陀s a f d 瓢r e d u c c de n e f g yc o 璐啪p t i o n r e d u c e dn o i 锄dp o i l m i m a g n e s i 啪a l l o yl l a sb e c o m e 孤i d c a im a t e r i a it 0 r e p l a c e a l u m i n 眦a i i o y i r o na 芏l d 啦e la r 埘e n g i n e e r i n gp l a s t i c s t l l i sp a p e ri sb a s e d t h e s t i l d yo f d c v e l o p p i n gak i i l do f a u t o m o b i l ee i l g i c o v e rm a d e o fm a g n e s i 啪a l l o yw h i c ht a k et h ep l a c eo ft h et r a d i t i o ls t e e lp l a t ep f e s s i n gp a n si no r d c r t 0r e d u c et l l en o i a n dw e i g h to fe n g i m t h es t l l d yc o n s i s l c do ft h ef o u o w i n g 舔p t 娥s ：耋h e s 扛u c t u r a ld e s i g no fa u t o m o b i l ee n g 妇c o v e rm a d eo fm a g i l e s i 啪a l l o y 柚dt h ed e s i 髓o f d i e - c a s t i n gd i e ；m ed c s i g n 卸do p t i m i z a t i o no fd i e - c a s t i n gp r o c e s s ；t h ea n a l y s i s 髓dt e s t i n go f c o v e rf o 吼a t i 伽a n dp r o p e r t i e s d u r i n gt i l ec o u r s eo ft t l i s s t i i d y ，t 如ok i n d so fm a g n e s i 啪 a l l o ym a t e r i a l s ( a m 5 0a n da z 9 1 d ) b cs e l e t e dr c s p e c t i v e l y 锄d 嘶l i z e dg 髂s f 6a i l d n 2 ( p l l r i f i e d ) 路p 加t e c t o r si nt h en 圮l d n gp r o c e s s 锄dt i l e nc 枷e do nd i e - c 蕊n ge x p c r i 锄e n t w i mas 丽t z e r i m de v o u j t l 0 n5 3 dc o l dc h a m b 盱m a 阴e s i u ma l l o yd i e - c a s t i n gm a c h 妯e a i l d f - m a l l y ，d 瑚吐tw i t ht h e 观】r ：f a c e 缸髓i 缸r l e n to fc 私t i n g sb ym e a n so fm i c r o a r co x i d a t 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n l d y ，a z 9 1dm a g n e s i 啪a l l o yb eu s e di nn l i sc n 舀i l ec 0 v e ro f t t l et r i a lp r o d u c t i o n i i 沈目：业大学硕士学位论文 趾dp u t “i n t o 舯c t i s ，i tt ob ep r o v e d ，t l l ea u t o m o b i t i v e 西e q u i p p c d 谢t l lm a g n e s i 啪 a l l o yc o v 盯i sa b i ct ow 0 咄岫d l y 锄dt l l e i i so b v i o u s l yc u td 0 帅锄da c l l i e v et l l e c 】【p c c t e dg o a l k e yw o r d s ：m a 印翻i u ma i i o y ，d i ec 船恤gc w e r d i e c a s t i n gp r o 嘲s p m p e r t y i i i 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：妞导师签名：勉魄 沈刚l ：业大学硕士学位论文 本课题为沈阳东基工业集团有限公司委托开发的6 4 5 1 汽车发动机镁合会罩盖，用 于替代原来的钢板冲压罩盖，主要解决降噪问题。 目前，汽车发动机罩盖多采用铝合金、钢铁、工程塑料等材料制造。镁合金作为最 轻的工程会属材料，其比强度明显高于工程塑料，而且常规镁合金比铝合金轻3 0 5 0 。 ：e 钢铁轻7 0 以j ，同时具有良好的铸造性、切削加工性、导热性、阻尼性以及电磁屏 蔽能力强和易于【日收等一系列优点。镁合金是替代铝合金、钢铁和工程塑料以实现轻量 比的理想材料。t i 与铝舍会相比，镁合金的研究和发展还很不充分，镁合会的实际应用 进展较慢，产量也还较低。 我国镁资源丰富，原镁产量居世界首位，但由于国内应用开发滞后，我国生产的原 虞的8 0 以上，乍， 初级原料产晶出口( 甚至遭到进口国的反倾销制裁) ，我茸的镁业属典 型的以牺牲资源知环境荚代价的原料出口型产业。目前，我国的原镁价格较低，资源十 分丰富，亟待开：乏再利犀，这也是我国汽车镁铸造业发展的有利条件。 1 1 压铸镁合：釜在汽车制造业中的研究和应用现状 在汽车工业中，镁合金的应用最近1 0 年来得到了很大的发展。镁合金在汽车中的 应用主要是压铸件。镁合金压铸件一直是汽车工业关注的焦点，其需求量占汽车工业对 镁合金需求量的约8 0 。汽车二二业所用镁合金压铸材料，特别是汽车动力系统部件要求 所用材料具有一：乏的耐高温或抗蠕变性能，另外还必须具有把多个部件组合进行一体 化设计，采庠一欠压铸成形的特点。同时，压铸技术的最新发展。可使镁合金能铸造薄 壁和接近成品尺于的复杂零件。与塑料相比，镁合金具有良好的刚度和稳定性，其零件 在重量、价格、功能以及结构优化设计方面都具备较大的优越性。所以，采用镁合会制 造汽车零部件具与许多优点：可以显著减轻车身重量，降低油耗，减轻尾气排放。提高 零音 件的集成度降低零部件加工和装配成本，提高汽车设计的灵活性等优点。采用高 塑性的镁合会还可以提高汽车抗震动及耐碰撞性能，降低噪声，改善汽车的刚度，提高 废i b 零部件能回收率，提高汽车的安全性和可操作性。9 0 年代以来，汽车工业出于节能 和妍保的考虑，对镁合蛋：的需求呈现出快速、稳步的上升趋势。 汽车发动机镁合金罩盖的研制 在汽车减轻重量方面，除了镁和铝竞争之外，汽车工程师还把镁用来替代塑料复合 材料，例如在2 0 0 4 尼桑3 5 l 发动机上采用镁合金替代塑料尼龙制成的凸轮外壳，展示 了镁合会的优异强度和声音阻尼效果，降低了噪声、振动，还降低了部件重量“1 。在汽 车结构件方面。镁以其优异的机械和物理性能正在取代增强塑料。 ( 1 ) 压铸镁合金国内状况 与老牌汽车工业国相比，我国的汽车镁铸造业刚刚兴起，发展潜力巨大。上海乾通 汽车附件制造公司在我国率先生产出了轿车镁合金变速箱外壳压铸件。最具代表性的有 为桑塔纳车配套的镁合金变速箱壳体，年产约3 0 0 0 吨，该公司拥有1 1 0 0 1 6 0 0 吨大型 镁合金压铸机6 台0 1 。目前，国内已有几家汽车产品铸造厂开始汽车用镁压铸件的前期 开发工作。 一汽奥迪在其生产的a u d ia 62 ，8 上集中使用了高技术控制系统以及镁合金材料， 褴汽车童鲞减轻2 7 k g 。2 0 0 4 年长安汽车集团为代表的汽车制造企业，在5 0 0 辆“长安 之星”汽车上采用了镁合金部件，实现了单车用镁量8 0 6 k g 伪，这一指标达到了国际先 进水平。东风汽车公司实现了镁合会压铸件生产的产业化，全自动镁合金压铸生产线主 要用于东风系列载重汽车用的脚踏板、变速箱顶盖、制动阀壳体以及富康轿车用的方向 盘芯、缸体罩盖、进气管、转向支架等系列镁合金压铸件产品的生产，此i i i f ，东风汽车 的这些零部件均为铝合金。今后，东风汽车所有铝合金零部件将逐步由镁合会制品替代。 2 0 0 4 年1 2 月，吉林临江镁业股份有限公司与一汽铸造公司签订了l o 万套变速箱壳体供 货协议，和上海大众、沈阳等厂的合作也正在洽谈中“1 。成发( 集团) 有限公司有色金 属制造分公司的镁合会压铸产品涉及到汽车、摩托车等领域，如：镁合会赛车轮毅及镁 合金曲轴箱体等，并成为该公司的重点产品。目前，该公司生产的最大镁合金铸件，净 重达6 0 0 k g ”1 。随着汽车业的迅速发展，镁合金压铸件将会得到越来越广泛的应用。 ( 2 ) 压铸镁合金国外状况 镁合会的工业化生产最早是在德国。在汽车上用作零部件至少有约7 0 年的历史。 1 9 3 0 年德国首次在汽车上运用镁合金7 3 8 k g ，1 9 3 6 年德国大众用压铸镁合金生产“甲 克虫”汽车发动机传动系统零部件，1 9 4 6 年达到单车镁合金用量1 8 k g ，1 9 3 8 年英国伯 明翰首次将镁合金运用到摩托车变速箱壳。 沈阳：( 业火学硕士学位论文 经过1 9 7 0 年的石油危机以后，镁合金在汽车工业中日益受到重视。随后不久，福特 汽车公司就率先用镁合金制造了离合器壳体、制动器与离合器的踏板支架、四轮驱动轿 车的变速箱体、转向柱部件等。紧接着，欧洲、日本、北美的汽车制造商也开始尝试采 用镁合金制造发动机气缸盖。奔驰公司将镁合金制造的座椅框架用在其sel 型的跑车 上，奥迪也在其v 8 型的轿车上用镁合金制造仪表板，丰田公司则将镁合金的用途拓展 到了转向轴上“3 。到了1 9 9 0 年，日本、北美、欧洲、南朝鲜和中国都确信了镁合金压铸 件能应用于轿车的许多零部件上，它不仅能减轻轿车重量，增加轿车的行驶安全性，改 善操纵性，还可减少装配成本，减少加工工具的损耗。 随着节能、环保要求的日益苛刻，老牌的欧美汽车业，近年来对铝、镁铸件的需求 量呈明显上升之势。近几年，轿车上镁铸件的应用以每年2 0 9 6 的速度增长，a u d ia 6 型 轿车，单车镁铸件已达1 4 2 k g ，今后将增至8 0 k g 左右9 1 。美国通用和德国皮尔堡生产 出了进气歧管镁压铸件，雷诺公司已生产出车轮镁铸件，奥迪公司最早将镁铸件用于仪 表盘骨架，奔驰公司最早将镁压铸件用于座椅骨架，而方向盘最早采用镁铸件的是意大 利的菲亚特公司。1 9 9 8 年，福特公司的p 2 0 0 0 车型所用的车轮镁压铸件重3 1 k g ，比钢 板冲压车轮轻5 k g 左右。现在福特公司有六个铸造厂为其供应镁铸件，每年约1 2 0 0 0 吨， 2 0 0 4 年将会达到4 5 0 0 0 吨脚。 总之，镁合金在汽车上的应用正在深入，已用作引擎阀盖、离合器壳体、齿轮箱、 方向盘、座椅等。据1 9 9 9 年6 月在意大利罗马举行的第5 6 届世界镁年会上发布的统计 资料显示：1 9 9 8 年世界原镁产量3 6 0 3 万吨，比1 9 9 7 年增长8 ，而压铸镁合金的产量 则比1 9 9 7 年增长1 5 5 ，年产压铸镁合金超过1 0 万吨，其中9 0 用在汽车上“1 。 目前，汽车上已有6 0 余种零件可采用镁合金压铸件，包括仪表盘骨架、座椅骨架， 方向盘、变速箱壳体、离合器外壳，缸盖、进气歧管、车轮、车门框架等。美国福特公 司正在研究用镁合金生产缸体，大众在巴西生产的“甲壳虫”牌轿车，正在试用镁合金 缸体，化工专家也正在开发适用于镁合金缸体的冷却剂。 1 2 压铸镁合金的性能 镁是目l i i 工业应用中最轻的金属，镁合金是最轻的工程结构材料，它具有许多优良 性能。镁比钢铁轻3 4 ，比铝轻l 3 ，甚至比非金属的塑料还轻1 5 。就整个工件的重量 汽乍发动机镁合金罩盖的研制 而言，镁合会制品的组件重量不比塑料重，有时甚至更轻。镁合金己成为当今世界发展 应用最快的轻合金，并广泛应用于各个领域。目前，用于汽车减重的结构材料有高性能 比的铝合金，工程塑料，镁合金，复合材料等，而复合材料的工艺较复杂，用复合材料 制造的零部件常用于一些有特殊要求的场合。表1 1 是几种在汽车上常用结构材料的性 能比较表。 表1 1 几种汽车用结构材料的性能比较 t 曲1 ip e r f a 硼a n c ec o m p a r eo fs e v e r a lk i n d sf o ra u t o m o b j j ep a r 括s t n 】c f u r a jm a t e r i a j s 由表1 1 中可以看出，镁合金作为一种轻质汽车用工程材料，除具有重量轻、高比 强度，以及良好的减震降噪能力外，在铸造性能、机械加工等一系列方面也具有诸多优 点，具体有： ( 1 ) 比强度、比刚度高。镁合会的比强度明显高于铝合金和钢，比刚度与铝合金 和钢相当，而远远高于工程塑料，为般塑料的1 0 倍。镁合金的密度虽比工程塑料大， 但比强度、比刚度而言，则不比塑料逊色，若工件为结构件，塑料为了整体刚性常必须 要加厚，啊相同条件下镁合金通常不必增加厚度。 ( 2 ) 耐冲击、耐磨、减振性好。在相同载荷下，减振性是铝的1 0 0 倍，钛合金的 3 0 0 5 0 0 倍。镁合金制品这一点远比塑料制品为佳，且又远比塑料耐磨“。“1 。 ( 3 ) 电磁屏蔽性好。镁合金具有电磁波吸收的特性( 塑料则必须经过处理才能有 此特性) ，因此也常被用来防电磁波外泄。 ( 4 ) 耐热、散热性好。一般会属的热传导性是塑料的数百倍，镁合会的热传导性 略低于铝合会及铜合金，远高于钛合金，镁合金的导热率为塑料的1 0 0 倍左右，比热则 与水接近，是常用合金中最高的“”。 沈辫j 】：业大学硕士学位论文 ( 5 ) 镁台金铸件的铸造和加工尺寸精度高，镁合金压铸件还具有薄壁铸造性能， 压铸薄壁件不会j 现热裂，延长压铸薄壁件也不会出现热裂。加工镁合金具有切削速度 高、工具使用寿分长、切削加工时可以有效地控制公差、易保证精度等优点。 ( 6 ) 可e 日收性好，符合环保法规要求。就回收性而言，金属比塑料更为容易，且 金属回收通常可 l 回复到可用的原材料状态，而塑料通常只能废弃，而造成许多公害。 只要花费相当于新料价格的4 ，就可将镁合金制品及废料回收利用。 1 3 镁合金铸造成形：亡艺现状 镁合金成形分为变形和铸造两种方法，当前主要使用铸造成形工艺。压铸是应用最 广的镁合金成形j 亨法，镁合金铸件多采用压铸工艺，根据其壁厚，可分别采用热室压铸 或冷室压铸。i 丘皇发展起来的镁合金压铸新技术有真空压铸和充氧压铸，真空压铸和充 氧压铸有助于提高镁合会压铸件质量。前者已成功生产出a 啪o b 镁合金汽车轮毂和方向 盘，后者也己开始用于生产汽车上的镁合金零件“”。 对于镁合金铸造成形而言，汽车零部件生产可采用砂型铸造、会属型铸造及压力铸 造等生产工艺。由于砂型铸造工艺成品率低、易产生显微缩松而降低其使用性能。金属 型铸造工艺虽然克服了砂型铸造工艺的一些缺点，但其生产效率低，不适合大批量生产， 因此汽车零部件：k 部分采用压力铸造工艺进行生产。 压力铸造是液态或半液态金属在高压作用下，以合理的速度充填铸模型腔，并在压 力下快速凝固成形而获得铸件的一种铸造方法，可以成形薄壁、形状复杂、轮廓清晰的 铸件。该工艺生产效率高( 平均每小时可压铸4 0 2 0 0 次，可进行连续大量生产) ，产 品质量好( 尺寸精度高，表面光洁度高，机械性能高) ，经济效益好( 会属利用率高， 节省加工工时) ”1 。压力铸造工艺目前己成为摩托车汽缸体、曲轴箱体、曲轴箱盖、发 动机缸体、缸盖等摩托车零件以及轿车方向盘、仪表面板、变速箱壳体等汽车零件的主 要威形工艺，在欧、美、日等国以及我国的台湾省己有不少的应用实例，尤其是我国台 湾省自1 9 9 8 年以来大举向镁舍金压铸工业进军，目前无论其生产规模还是技术水平均 居亚洲第一，并跻身世界先进之列“”。 由于压力铸造使镁舍金液两速充填铸模型腔，弥散状态的金属流与型腔内的空气高 度混合，最终在压铸件内形成弥散分布的气孔。为了消除这种缺陷，提高压铸件的内在 汽车发动机镁合金罩盖的研制 质量，近年来，美、日等国相继研究开发出了金属半圆态成形，真空压铸和充氧压铸等 新工艺。 金属半固态成形工艺可分为半固态铸造成形和半固态压射成形两种工艺技术。它具 有充型平稳、无金属喷溅、金属氧化损失少、节能、操作安全、铸件组织致密等优点， 但目前该工艺尚不完全成熟，仅有国外少数厂家采用该工艺进行生产。相对来说，半固 态铸造镁合余材料的选择性小，目前应用的只有a z 9 1 d 合金，需要进一步发展适用于半 固态铸造的镁合金系。随着该工艺技术的不断完善和镁合金应用的同渐广泛，金属半固 态成形工艺的应用必然会越来越广“”2 “。 镁合金半固态触变铸造( t h i x o m 0 1 d i n g ) 成形新技术，近年来受到美国、r 本和 加拿大等国家的重视。与传统的压铸相比，触变铸造法无需熔炼、浇注及气体保护，生 产过程更加清洁、安全和节能。目前已研制出镁合金半固态触变铸造用压铸机，到1 9 9 8 燃。 年底，全世界已有超过l o o 台机器投入运行，约有4 0 种标准镁合会半固态产品用于汽 车、电子和其他消费品。”1 。其他正在发展的镁合金铸造成形新技术有镁合金消失模铸 造、挤压铸造一低压铸造结合法、挤压铸造一流变铸造结合法和真空倾转法差压铸造等。 1 4 压铸镁合金在汽车制造业中的市场前景 随着激光技术和新材料的发展，汽车的材料应用也受到影响，汽车用材料由钢件逐 渐转向铝合金和镁合金压铸件。由于镁合金压铸件对汽车轻量化、高速、节油等整体功 能效果明显，因此受到汽车厂商的高度重视。现在镁合金压铸件每年以2 0 2 5 的速度 增加，镁合金压铸件的快速增长主要是欧美地区发达国家汽车业面临汽车重量轻、耗油 少、符合新的环保要求而促成的。为了降低轿车自重以减少汽油消耗( 1 0 0 k m 油耗降到 3 l 以下) ，用镁合金做汽车零件是汽车实现轻量化、节能化、减少污染的理想途径。 我国轿车的发展空间很大，而对轿车的低油耗和低排放的严格要求，必然使轿车必 须更多的采用轻量化的部件。据统计，汽车所用燃料的6 喊消耗于汽车自重，汽车每减 重1 0 ，其油耗可减少8 1 0 ，排放可减少l 嘣汹1 。因此，中国汽车业，尤其是轿车业 的发展，必将导致镁合金铸件使用的与只俱增。此外，镁合金作为工业产品中最轻的金 属结构材料，又具有比工程塑料好得多的机械物理性能和回收性能，在汽车上应用镁合 6 沈毗l ：业大学硕士学位论文 会压铸件可以大j ：改善汽车的结构和动力性能，在汽车减重、性能改善和环保方面的作 用也r 益得到工业界重视。 狳此之外，镬合金应用及其加工技术的研究和开发也是汽车工业用镁合金不断增长 旧动力，汽车燃料的节省和环境污染降低的法规和立法的不断强化要求汽车减轻重量。 随着新型镁合会材料的不断开发和加工技术的改进和完善，作为汽车减重的理想材料， 汽车用镁合金市场将会得到不断拓宽和持续稳定的增长，镁合金压铸件在汽车制造业中 有广乏的市场和 i 大应用潜力，这也是未来汽车轻量化发展的趋势。 1 5 本课题研究的目的、意义和最终目标 1 5 i 本课题i 开究的目的 通过本课题的研究，形成比较成熟的汽车发动机镁合金罩盖压铸生产技术，促进和 实现镁合金在我 i 汽车上的规模应用，同时，为压铸镁合金的进一步研究和应用趱供燮 些借鉴和经验。 1 5 2 本课题研究的意义 ( 1 ) 采月镶合金压铸件替代钢结构件制作汽车发动机罩盖，可降低汽车自重，减 少能耗和污染，降低汽车发动机噪声，提高汽车驾驶性能。 镁合金舅有较高的振动衰减系数，特别是其压铸件具有消震性、阻尼性好的特点， 用镁合金压铸件制作汽车发动机罩盖，在减轻自重的同时还具有优良的吸震性能，可大 大降低汽车发动机噪音，既改善了车辆的动力性能，又降低了能耗，同时，还能提高车 ：两的驾驶舒适度。使用镁合金压铸罩盖替代钢结构、铝合金结构发动机罩盖，正是应用 了镁合会具有良好阻尼性的特点，进一步对罩盖进行防震及密封处理，可更有效地阻隔 噪源传递，达到吸收及衰减发动机噪声目的。镁合金优良的吸震性能，使采用镁铸件的 气车大大改善了减震和降噪性能，近年来许多汽车用零部件已由其它结构材料逐步改用 凑合会材料。 据测算，气兰三所用燃料的6 0 消耗于汽车自重，汽车自重减少1 0 ，耗油将减少8 i0 9 6 ，其燃油效率可提高垃5 ，如果每辆汽车能使用7 0 k g 镁合金，co ：的年排放量就 能减少3 0 以上，而且可有效降低汽车自重汹1 ，一方面，减少了燃料的消耗和对环境的 汽布发动机镁台金罩盖的研制 污染，另一方面可以使汽车驾驶起来更灵活舒适，具有更好地加速和减速性能，其作用 是显而易见的。 镁铸件在汽车上应用的增加，使汽车减重，减重也有助于质量的优化分布，减少车 体前部的重量，则使轿车更易于驾驶，从而大大改善汽车的驾驶性和安全性能。 ( 2 ) 采用镁合金压铸件替代钢结构件制作汽车发动机罩盖可提高汽车的综合机械 性能。 镁合金压铸件与汽车用结构材料如铝合金、钢铁、工程塑料甚至复合材料相比有许 多优良性能，而且铸件的铸造和加工尺寸精度高，可进行高速机械加工，镁合金压铸件 还具有薄壁铸造性能，压铸薄壁件不会出现热裂，延长压铸薄壁件也不会出现热裂，散 热性好。另外，镁与铁的反应性低，压铸时压铸模产生熔损少，熔化耗能小，压铸模使 用寿命长。因此，采用镁合金压铸汽车发动机罩盖取代钢结构和铝合金结构罩盖，能提 高汽车的抗冲击性等综合机械性能。 ( 3 ) 目i ；i ，汽车工业高速发展，开发具有优良的常温、高温力学性能，优异的机 械加工性能的镁合会产品，提出并确定镁合金的高性价比的加工工艺是当自 镁合会研究 的一个热点，也是推动镁合金在汽车等领域应用的客观要求。本课题通过镁合金的熔炼 和压铸以及罩盖的表面处理，对其进行力学性能实验，观察其力学性能，还可以通过疲 劳试验研究压铸态镁合金疲劳行为，为镁合金汽车构件的设计和使用提供参考。 ( 4 ) 目前，我国原镁产量仍居世界首位，占全球产量的1 3 。2 0 0 0 年全国产量1 9 5 万吨( 出口1 6 5 万吨) ，2 0 0 1 年全国产量2 0 6 万吨( 出口1 7 3 力吨) ，国内消耗不足 3 力吨啪1 ，8 0 以上都作为初级原料低价出口。可见我国的镁业属典型的以牺牲资源和环 境为代价的原料出口型产业，国内镁行业存在着严重的结构性矛盾，突出表现在原镁生 产企业数量多，小而分散，技术落后，环境污染严重。本课题对提高我国镁深加工的能 力，促进镁合余在汽车上的应用有一定的现实意义 总之，加速我国汽车产品轻量化的进程，实现节能降耗，减少排污，提高汽车安全 性能，显然，这对于提高我国镁合会产品的档次，促进我国汽车工业赶超国际先进水平 都具有重要的战略意义。 沈刚l = 业人学硕 学位论文 1 5 3 本课题研究的最终目标 在研究过程中，以现有压铸生产技术和设备为基础，针对镁合金的铸造工艺性和物 理化学特性，对镁合金发动机罩盖生产所需的原材料及辅料、设备、工艺等进行研究， 通过对镁合金压铸件进行组织分析和力学性能测试，优化镁合金压铸工艺和参数，建立 起由镁合合熔炼保护、浇注、压铸工艺、压射参数选择及控制、压铸镁合金热处理工艺、 压铸件表面处理组成的汽车发动机镁合金罩盖压铸生产技术和工艺，试制出符合技术要 求和性能要求的汽车发动机罩盖。罩盖性能和技术指标要求见表1 2 。 表1 2 汽车发动机镁合金罩盏主要性能指标要求 t a b 1 2 m a i np e r f b m 锄c es t a n d 柚d s f o r a u t o m o b 订e se n g i m c o v e r m a d e o f m a 鲫鹪i u ma l l o y 1 6 本课题的研究内容 ( 1 ) 6 4 5 l 汽车发动机镁合金罩盖结构与工艺设计。 ( 2 ) 镁台盒罩盖压铸工艺与优化。 ( 3 ) 发动机镁合金压铸罩盖热处理工艺研究及微观组织分析。 ( 4 ) 发动机镁合金罩盖的力学性能检测。 汽车发动机镁合金罩盏的研制 26 4 5 1 汽车发动机镁合金罩盖结构与工艺设计 2 1 发动机镁合金罩盖结构设计 汽车发动机镁合金罩盖的结构工艺性，与罩盖本身的性能指标、成形工艺的实施和 模具结构设计有着密切的关系。罩盖的设计还要适应成形工艺要求。才能保证合理的模 具结构设计。 镁合金压铸罩盖的质量除受到压铸条件的影响外，其自身的结构也是十分重要的。 合理的罩盖结构不但能简化压铸模具的结构，同时也能改善罩盖的质量，提高压铸的生 产效率曲1 。 原发动机罩盖是由外罩、内罩、衬板及部分焊接件组合而成。外罩、内罩均为钢板 冲压件，内、外罩之间加衬板，并与其它焊接组件焊接在一起，边缘凹槽内加密封胶条。 如图2 1 所示。 图2 1 冲乐钢板罩盖 f i 昏2 1e n g m e c o v 盯m a d eo f s t ls h t s t a i l l p i n g p i d s s 用镁合金压铸件替代原钢板冲压件，在设计中对压铸镁合金所具有的一些独特性能 应予以足够重视，使压铸罩盖的结构和模具设计适合罩盖特点，做到既充分发挥镁合金 的优良压铸性能，又要避免不合理设计所带来的一些问题，确保获得符合性能要求的高 质量汽车发动机镁合金罩盏。 镁合金压铸罩盖属于镁合金薄壁压铸件，其理想结构是壁厚均匀、避免过高和直长 的筋槽，尽量采用圆弧过渡，以改善充型特性，防止镁合金在冷却、凝固过程中因收 缩不均而产生的应力和裂纹。另外，压铸罩盖上还要规定浇道部位，合理设计顶杆，预 沈辫j i ：业人学硕十学位论文 留推卡t 部位，以方便压铸脱模。当然，易于模具制造，避免模具制造复杂和成本过高以 及正确选择压旖镁合金的牌号都是在罩盖结构设计时不可忽视的重要因素伽“”。 全面掌握痰台金压铸罩盖的结构设计原则，才能使罩盖符合使用要求，适应压铸成 形工艺特点，苟亿模具结构，保证罩盖顺利成形，达到以最低的消耗获得良好成形性和 最合理的技术经济性要求。 图2 2 闺2 5 是根据原冲压罩盖结构设计的发动机镁合金罩盖图。 霪 弋弘潞秋晶矿 汽车发动机镁合金罩盖的研制 a 矶p b l c i d ii徽 厦 一- - 粼。 尹i 舀 瓣 旷 一i 皂乒 薯 乒 挲涵甬 j 。二 l 超 罐 鬓 q 却： h 1 。删 漂辩生产；j “j 姝k 拱藏蘸 逡 l1 蛏。l ! 杰 孝醯 、螨： f c ，棚训。wj ，埔 ( c ) 图2 2 罩盖结构图 ( a ) 主视i 璺j( b ) 纵剖图( c ) 顶视图 f i g 2 2e n g i n ec o v e rs t c t u l g 惜p h ( a ) b 箍i cv i e w( b ) s 删曲ts t i 硼v i e w( c ) t 叩v j e w b b 图2 3 罩盖( b b 。c - c ) 断面横剖图 f i g 2 3e n g i v c r c s 枷v j w ( b - - b ，c _ ) 沈耻l ：业大学硕士学位论文 图2 4 罩盖( d - d ，e - _ e ) 断面横剖图 f i g 2 4e n g i n ec o v e rc r o s ss c c t i o nv i c w ( n d ，卜e ) 图2 5 罩盏( f f ) 断面横剖图 f i g 2 5e n 舀n ec o v 。rc r o s s 嘶o nv i e w ( 卜f ) 2 2 浇注系统的计算机辅助设计 浇注系绩对镁合会液通过浇道处的速度和流动状态、排气溢流条件、模具的温度分 僚、压力的传递、充填嗣自j 等各个方面，起着重要的控制与调节作用。良好的浇注系统 设计是模具成功弓否的关键之一，不合理的浇注系统设计可能导致诸如缩孔、流痕、冷 隔以及表面质量：百理想等各种缺陷。 由于罩盖有坟复杂的曲面，壁厚也并不均匀，所以确定合适的浇注系统对成形至关 重要。在浇注系统的设计过程白，遵循了以下四条原则： 汽乍发动机镁合金罩盖的研制 ( 1 ) 镁合金熔体能平稳地进入铸型，不受压型和型芯的阻力。 ( 2 ) 能保证镁合金熔体把空气从型腔中排净。 ( 3 ) 避免产生局部过热。 ( 4 ) 便于从铸件上去除冒口。 根据以上设计原则，设计的浇注系统如图2 6 所示。 圈2 6 压铸镁合金罩盖浇注系统的设计 f i 舀2 6d e s i g no f p o 面n gs y s t e mf o rd i e - c 酆痂1 9e n g i n ec o v e rm a d eo f m a g n e s i u ma i l o y 采用z c a s t 模拟软件对上述设计的浇铸系统分别对充型过程温度场和充型过程速 度场进行模拟，结果如图2 7 、图2 8 所示。模拟结果表明，充型质量较好，能够实现 补缩。 幽2 7 充型过程温度场模拟结果图 f i g 2 7r e s l i l tg r a p hf b rs i m u l m i o no f t c m p e f a t 呲f i c l do f m o u i df i l l i n g 1 4 沈阳i ：业人学硕士学位论文 圈2 8 充型过稃速度场模拟结果图 f i 2 8r 嚣u ng r a p hf o rs i m u l a l i o n0 f v e l o c 耐f i e l do f m o u l d 舢i n g 2 3 发动机瀵1 金罩盖压铸模具设计制造 压铸模是压铸罩盖的关键装备，是直接联系压铸机、压铸工艺、压铸镁合金的核心 要素，更是生产 b 合格锓合金压铸罩盖的前提。压铸模设计必须遵循以下原则： ( 1 ) 压铸址的罩盖必须满足图纸规定的尺寸精度和各项技术要求。 ( 2 ) 模t 垃该适应压铸工艺的要求，如内浇口位置、内浇口尺寸应合适，以及方 便模具温度白乞调节等。 ( 3 ) 模典应尽可能地标准化、通用化，模具的结构尽量简单、可靠。在保证压铸 件质量和安全生产的前提下，尽量采用先进的模具结构，拆卸方便，便于维修，制造成 本低等。 ( 4 ) 满足且_ 铸机的【艺规范，能充分发挥压铸机的生产能力，与压铸机的安装配 合符合要求。 压铸罩盖模：壬的结构设计是确定压铸模总体结构和各个零部件的细节和技术要求， 设计出模具胎图j ；口零件图。包括总体设计( 模体结构、镶块结构、抽芯机构、顶出机构、 嵌件) 、细：声磬：计( 尺寸、装配关系、管道、槽孔) 、总图绘制和零件图绘制。采用 计算机三维 昱计时，可以从各个零件图中转换后得到机械加工数据。 汽车发动机镁合金罩盖的研制 下面是设计的压铸模具动模板、定模板及模具总装配三维实体图( 见图2 9 ) 。 图2 9 动模板、定模板及模具总装配二维实体幽 f j g 。2 93 d 咖i t j 嚣p i c h 聪缸m o v 曲l e m o u i dp l a l c 、f i 删m o t l l dp l a t ef i l l a l 雒m b l y 图2 1 0 是按上述设计、加工制作的汽车发动机镁合金罩盖压铸模具。 圜2 加镁台金罩盖脉铸模具 a ) 定模；b ) 动模 f i 昏2 1od i e 删j n gd j ef o re n g i mc o v 盯m a d eo f m a 印e s i u ma l l o y a ) f i x e d m o u l dd i eb ) m o v a b bm o u l dd i e 沈舟 i ：业大学硕士学位论文 图2 1 0 a 为压铸模具的定模，金属液从浇杯注入，从定模下边的浇注系统流入到模 具型腔中。图2 1 0 b 为压铸模具的动模，在动模的上方设置了四个集渣包，保证流入型 腔的金属液夹渣可以在集渣包内凝固。动模后方设置铸件顶出机构，保证铸件顺利取出。 图2 1 l 、图2 1 2 为汽车发动机镁合金罩盖压铸模具浇铸系统实物。 幽2 1 l 镁合金罩盖凸楔发浇江系统 f - 昏2 11c 佣v 眈d i e 锄dp o l i r i n gs y s 钯mf b re n 舀n ec o v c rm a d eo f m a 鲫部i 岫a l l o y 幽2 1 2 镁合金罩，蔫凹模及浇注系统 f 培2 1 2c o n c a v ed i c 锄dp o u r i n gs y s t 哪f o re n g i 鹏v 凹m a d eo f m a 印e s i u ma l l o y 汽车发动机镁台金罩盖的研制 3 压铸工艺与优化 3 1 压铸工艺的确定 3 1 1 压铸机的选择 镁合金压铸机需要具备大多数普通铝合金压铸机不具备的功能，其几个主要技术指 标应包括： ( 1 ) 最大空压压射头速度9 l i i s ； ( 2 ) 压射速度从0 5 m s 上升到5 m s 的过渡时间要低于2 0 m s ： ( 3 ) 最短的建压时间( 0 0 5 s ) ； ( 4 ) 具有良好的安全保护性能。 关于镁合金压铸机的吨位，主要根据生产模具所需要的锁模力的大小来确定，锁模 力的大小取决于胀型力的大小，锁模力与胀型力有如下关系： f * k f t ( 2 1 ) 其中，f 。为锁模力( n ) ，f 。为胀型力( n ) ，k 为安全系数( 一般取l - 3 ) 。 胀型力指的是模型在压铸过程中受到的压射冲头作用在其上的力。公式如下： f 幢= pe 增( s 件十s 据+ s 鲁+ s 矗) + f - 一t ga ( 2 2 ) 其中，p * 为增压比压( p a ) ，s 。为铸件在分型面上的投影面积( 吖) ，s 女为浇注 系统在分型面上的投影面积( 盯) ，s 女为余料在分型面上的投影面积( 时) ，s 口为溢 流槽在分型面上的投影面积( m 2 ) ，f 。为形成型腔侧壁的成形滑块、活动块上所受到的 总压力( n ) ，n 为抽芯机构中锲紧块的斜面角度。 通过公式( 2 1 ) 、公式( 2 2 ) ，可以计算出压铸时的锁模力，压铸机的吨位要大 于所计算出来的锁模力大小，如果压铸机吨位小于锁模力，则会发生逃料甚至其它严重 后果“”1 。 根据以上要求，综合考虑，我们选用沈阳工业大学材料学院的瑞士b u h l e r 公司的 e v o l u t l 0 n5 3 d 全自动卧式5 0 0 吨冷室压铸机，压室直径8 0 咖，压铸机的锁模力为 5 3 0 0 k n 。如图3 1 所示。 沈阳1 ：业大学硕士学位论文 图： 1 沈h i 业人。学瑞 = j ，25 3 0 全 i 动卧式冷仆机 f i 舀3 1s h e n y 鲫gu n i v e 幅时o f t e 曲n o l o 科5 3