材料成型论文----机械系.doc

法拉利等高级跑车发动机的选材及成型技术发动机类铸件的生产属大批量、专业化流水生产性质，一般年生产纲领，少则上万件，多则几千万件。产品结构复杂，铸造难度大，相应生产工序多、工艺装备的要求也高，如发动机缸体、缸盖等铸件，既有复杂的内腔和外形结构，又要求薄壁及高度精确的毛坯尺寸。而影响发动机性能的关键因素又取决于结构的设计，材料的选择和制造技术。其中材料的选取又是重中之重。材料的型号繁多、品种各异，每一种材料都有其不同的具体化学成分和各种性能，而且材料的结构、性能还随制备方式与处理工艺而变。到目前为止，在材质的选择上，车用发动机缸体缸盖的材质主要有灰铸铁，铝合金，蠕墨铸铁等。随着发动机朝着大功率、环保方向的发展，灰铸铁的牌号越来越高，现在运用普遍的是HT250，而HT300也已应用于缸体、缸盖的生产，个别产品性能要求达到HT350。1 发动机的基本构造发动机是一种由许多机构和系统组成的复杂机器。无论是汽油机，还是柴油机；无论是四行程发动机，还是二行程发动机；无论是单缸发动机，还是多缸发动机见下图11所示。要完成能量转换，实现工作循环，保证长时间连续正常工作，都必须具备以下一些机构和系统：曲柄连秆机构、配气机构、燃料供给系统、润滑系统、冷却系统、点火系统、起动系统1。2 发动机关键零部件材料概述2.1 铝合金活塞铝合金的一个优点是密度小，约为铸铁的13，在同样强度的情况下，它比钢铁材料轻许多可大大减少活塞的质量及往复运动的惯性力，对缸壁的侧压力和冲击力也较小。从而减小活塞组与缸壁以及活塞销的摩擦力，并降低它们的磨损力量。铝合金的另外一个优点是导热性好，工作时，活塞表面温度比铸铁的低，而且活塞顶部的积炭也较少。迄今曾经使用过的活塞材料大致四类：A1Cu-NiMg系、A1一cusi系、共晶型A1一siCuMg系及过共晶型一siCuMg前两类由于存在线膨胀系数大、比重大、体积不稳定的缺点早已被淘汰3。目前国内使用的铝活塞材料主要是共晶型铝硅合金，ZLl08(ZAISil2Cu2Mg)、ZLl09(ZAlSil2CulMgiNil)。随着发动机性能的不断提高，共晶型铝硅合金已越来越难以达到使用性能要求，在汽油机和天然气发动机中，过共晶铝硅合金的使用越来越多。过共晶型铝硅合金含硅量高达1726，合金比重减小，线膨胀系数降低，抗磨性及体积稳定性相应提高，是较理想的活塞材料1。2.2 连杆材料连杆是发动机的重要零件，其作用是将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。其好坏与优劣直接影响发动机的整体性能。在工作过程中，连杆受力较复杂：一方面承受气体的压力和往复运动的惯性力所产生的冲击性拉压交变载荷；同时连杆摆动产生横向惯性力，导致其承受弯曲交变载荷。因其较长，所以要求连杆有足够的强度和刚度。钛合金连杆：钛是一种重量很轻，强度很大的材料，而且价格非常昂贵，一般只在航空领域采用。作为航空及军工材料钛及其合金的优良性能无可争辩。航天器和潜艇表层涂上钛后，其抗压、耐热及综合机械性能显著提高。由于其密度约为钢材12，应用在汽车上，在保证性能的同时，轻量化效果十分明显。如材料为a+8型钛合金：Ti6A14V。其较好的塑性可进行冷、热加工。经淬火、时效处理后，强度较好。而质量则下降了15201。2.3 曲轴材料曲轴是汽车发动机的关键部件之一，其性能好坏、直接影响到汽车的质量和寿命。曲轴在发动机中承担最大负荷和全部功率，承受着强大的、方向不断变化的弯矩及扭矩，同时经受着长时问高速运转的磨损，因此耍求曲轴材质具有较高的刚性、疲劳强度和良好的耐磨性能。新型铝合金复合材料：90年代以来国外广泛采用高强度铝合金来代替传统材料，以实现轻量化。其曲轴采用压力铸造纤维和颗粒增强铝合金复合材料。2.4 机体材料机体是发动机中单件质量最大的零件，一般都超过发动机质量的14，甚至接近131。减轻它的质量是发动机轻量化的重要途径。铝合金是汽车上应用最快和最广的轻金属，因为铝合金本身的性能已经达到质量轻、强度高、耐腐蚀的要求。铝合金通过强化合金元素其强度大大提高，由于质轻、散热性好等特性，完全满足了发动机活塞、气缸体、气缸盖在恶劣环境下工作的要求。铝合金气缸体、气缸盖压铸成型技术可以提高净化、精炼、细化、变质等材质质量控制，使得铝铸件质量达到一致性和稳定性。由于铝合金密度低，强度性能与灰铸铁相近，韧性却高于灰铸铁，且有良好的铸造性能。铝合金的发动机缸体己经成为汽车轻量化的首选。这是因为铝合金缸体质量轻，导热性良好，冷却液的容量可减少。启动后，缸体很快达到工作温度，并且和铝活塞热膨胀系数完全一样，受热后间隙变化小，可减少冲击噪声和机油消耗。和铝缸盖热膨胀相同，工作可减少冷热冲击所产生的热应力。由于目前轿车大多采用发动机前置驱动，使用铝合金缸体缸盖减轻发动机的重量，有利于均衡前后重量比，防止高速行驶过程的转向偏差现象，从而提高了轿车的操控性和安全性。采用高性能铝合金缸体和缸盖的全铝制发动机，已经成为体现轿车技术水平的标志之一3。压铸铝是首选的新型机体材料，如采用SiCu系列的GDAISi9Cu3压铸铝密度仅为铸铁的30左右，可见减重的幅度较大。由干机体采用了铝合金，故主轴盖底座不必另外考虑，而是采用整体框架式结构。采用压铸铝整体框架式主轴承盖底座，可以降低制造成本、便于安装、减少噪声辐射。研究表明，高硅铝合金比含铜的过共晶铝合金更有竞争力。因为高硅铝合金材料具有疲劳强度高、耐磨性好、抗缸孔变形能力强、重量轻和导热性好等优点，制造方面具有制造成本低、铸件质量更好及机加工性能和刀具寿命高等优点。代表着结构材料重要发展趋势的聚合物复合材料以比强度和比模量高、耐疲劳、减振性良好、耐腐蚀和尺寸稳定等优良性能脱颖而出。且生产部件的总能耗只有钢材的5060，是铝镁材料的70803。因而开始出现在汽车发动机机体上。聚合物基复合材料作为汽车部件应用的主要优点是：重量轻、耐腐蚀、容易修补、噪音小、成型工艺方便、燃油消耗低等。3 发动机关键零部件成型技术以气冲、静压造型线为代表的各类高压造型的自动化造型线已在发动机生产企业里得到广泛的应用，此外，垂直和水平分型的高压、射压、挤压等先进的造型工艺和装备的应用也大大提高了我国内燃机缸体、缸盖等薄壁高强度铸件的尺寸精度和表面质量。在制芯方面，冷芯盒法制芯发展速度加快，其优点凸显，高强度、低膨胀、高溃散性覆膜砂受到更多的关注并开始大量生产与使用。在清理方面，由于缸体、缸盖铸件内腔复杂，难以清理，壁厚也容易变化，故采用机械手程序控制抛丸角度和时间取得了较好的效果，受到了更多的认同。此外国内自行开发的无余量精铸技术、新型的浇注系统过滤网技术等等也均有效地提高了铸件的内、外质量和生产效率。3.1压铸工艺压铸铝合金缸体铸造工艺性能是指在充满铸型、结晶和冷却过程中表现最为突出的那些性能的综合。如流动性、收缩性、气密性、铸造应力、吸气性等。铝合金这些特性取决于合金的成分，但也与铸造因素、合金加热温度、铸型的复杂程度、浇冒口系统、浇口形状等有关。在缸体压铸生产中，压铸机、压锌台金和压铸模具是3大要素。压铸丁艺惺将3大要索作有权的组合并加以运用的过程。压铸成型过程中其填充压力和填充速度、浇注温度、填充时间、开型时间对压铸件的质量是最为美键的部分，生产过程中要使各种工艺参数满足压铸生产的需要4。首先，应该合理设计缸体压铸件的浇注系统。通常缸体压铸件的浇注系统有两种形式：单侧浇注系统和双侧浇注系统。单侧浇注系统一般适于小型缸体，双侧浇注系统一般用于大型缸体。齿形激冷排气块排气集渣效果良好，获得广泛使用。齿形排气道的厚度大致控制在06ram以下。采用合理的工艺参数，包括压射行程、压射速度、压射压力及压铸温度等，对提高压铸缸体质量和保持质量稳定性非常重要。通常，缸体压铸的慢压射速度控制在02rrgs左右，快压射速度控制在3-5ms，或者填充速度控制在3050ms，压力一般不低于60MPa。缸体压铸对压铸温度更为敏感。对于常用合金，金属液的温度要控制在640C680之间，模具的温度喷涂后控制在150200之间。要使用模温机对模具温度进行控制，实际上，模温机已成为缸体压铸中不可缺少的辅助设备。同时要设置足够的冷却力口热管道，保证对模具温度的有效控制4。除去前述各因素外，合金液的质量也是不可忽略的。应充分注意合金液质量，避免合金污染，必要时应进行除气和精炼处理。真空方法也是缸体压铸一个有效的质量保证措施，但会增加额外工序。目前许多压铸厂在生产缸体时未采用真空方法，也能压铸出合格产品。缸体压铸件的缺陷主要包括气孔、缩孔、冷隔、裂纹、夹渣等，缸体压铸件质量受多种因素影响，要综合考虑各种因素控制缺陷的产生。3.2 铝合金发动机缸体压铸成型压力铸造：它是目前铝合金缸体铸件最主要的生产工艺。其生产率和工艺稳定性较高，生产的铸件尺寸精度高、表面光洁度好、机械加工余量小，符合净成型和循环经济的原则。而废品率相对较低(废品率约为5)，符合节材和节能的原则。缸体压铸模具主要由动型部分和定型部分两个太部分组成，定型周定在压铸机的定型座板上。由浇遭将压铸机压室与型腔连通。动型随压铸机的动型座板移动，完成开合型动作。压铸该高速发动机缸体的模具及其在拎室压铸机上的安装，该模具采用六面抽芯的结构，主要由定模部分动模部分溅型部分、浇注系统、抽芯机构、顶出机构、排气系统、加热保温装置、定位导向系统等几部分组成。压铸模具材料选用3Cr2W8V和H13抽芯棒可采用钛舍金或高温合金，热处理后其硬度可以达到45HRC以上，表面通过氮化处理后，压铸模具的寿命可达到10万次以上。金属型重力铸造：金属型重力铸造是指在重力作用下，液体金属充填金属铸型而获得铸件的一种铸造方法。该工艺生产的铸件具有表面质量好，尺寸精度高的特点，而且工艺的灵活性又有利于解决像缸体这类复杂铸件的实际生产问题，尤其是在协调浇注系统与铸件补缩这两个难题方面。其次，设备简单、可靠，十分便于操作和维修，且投资少、生产效率高，综合经济性好。再有，金属型重力铸造可以很好的解决铸件内部的含气量问题，以及缸体结构形状方面限制的问题。与压力铸造相比增加了铸件的补缩冒口，这确实使铝液利用率降低，然而针对铝缸盖这种复杂铸件的生产，设置冒口有利于铸件的宏观组织结构，可以在减少铸件渗漏缺陷方面得到部分补偿6。参考文献1王丽娟,西安工业大学硕士学位论文,发动机关键零部件选材系统的研究.2李明，