汽车发动机缸体缸盖消失模铸造技术的研究与应用

1、汽车发动机缸体缸盖消失模铸造技术的研究与应用（一）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,进而也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 得到了有效减轻，促进了汽车工业的发展。像美国的通用汽车GM公司、德国的宝马汽车BMW公司、意大利的法塔铝FATA消失模铸造公司和法国的雪铁龙汽车 公司均采用了消失模铸造工艺来生产铝合金发动机缸盖以改善发动机乃至整车的综合性能并取得了显著的效果。汽车时代的进步对原材料、能源的节约和环境保护提

2、 出了更高的规范，使得发动机的比功率（KW/排量升）越来越大，导致发动机缸体缸盖的工作温度普遍提高，两零部件的许多局部区域工作温度已经超过了 200，此时一方面铝合金的机械强度会下降很快，显得不堪重负；另一方面发动机的机油正常工作温度为105，如此的高温使机油的润滑和导热作用变弱， 而铸铁材料件在此温度下仍然能正常工作并表现出优异的工作性能。   目前解决铝合金在高温及常温下机械强度不够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 增加了铸造的技术难度、增加了零部件的重量，使得制造成本上升；另一方面由于铝合金与灰铸

3、铁的膨胀系数有差别，在发动机正常工作情形下容易产生疲劳裂纹和 镶铸件的松动缺陷。纵观铸造产品成型的全过程，即从矿石冶炼到铸件成品，铝合金的耗能要比铸铁高。而铸铁产品的防振能力、自润滑能力和高温机械性能远大于 铝合金，因此可以预见普通灰口铸铁、高牌号孕育铸铁、合金铸铁、蠕墨铸铁和球铁材质的汽车零部件将愈来愈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，蠕墨铸铁与普通灰口铸铁相比，抗拉强度提高了约75，弹性模量增加近40，疲劳强度几乎是灰口铸铁的2倍，用蠕墨铸铁取代灰口铸铁生产 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柴油机的污染物排放量。国外已在大功率柴油机发动机

4、件上普遍采用蠕墨铸铁材料。它具备接近球 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，而又较普通灰铸铁有更好的塑性和耐疲劳性能。总之，只有铸铁件的力学性能与高温性能才能满足 汽车乃至发动机的未来发展之要求。   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添加合金缩水率后代替铸模进行造型，泡沫模样不取出呈实体铸型，浇入金属液使其汽化形成铸 件。与传统的砂型铸造相比，消失模铸造取消了混砂、制芯工序，省去了传统造型工序中分箱、起模、修型、组芯与下芯、合箱等操作，大大简化了落砂、铸件清理 及砂处理工序，因而缩短了生产周期；同时一方面由于负压下铸型刚度大

5、，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铸成型，提高了工艺出品率；消失模铸件机械加工余量小（2.53.5mm），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%；消失模造型干砂中无需粘结剂和添加物（煤粉、膨润土、水），这样一来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。消失模铸造技术被誉为 “铸造中的绿色工程”。在过去的二十世纪八十年代，美国就已经把运用消失模铸造工艺来生产汽车发动机缸体缸盖，以提高发动机的整体性能来提升其汽车工业的 国际竞争力，并取得了成功。

6、60;     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，经过十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 灰口铸铁HT150、HT200和高牌号孕育铸铁HT250柴油机零部件产品：R175A单缸柴油机缸盖、R175A单缸柴油机缸体、N485四缸柴油机 排气管、N485四缸柴油机飞轮壳、N485四缸柴油机离合器壳、N485四缸直喷式柴油机缸盖、4105ZLQ增压中冷式四缸柴油机缸体。参见图1所 示，本文重点介绍

7、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。图1   全柴消失模泡沫模型及其铸件产品展示    1  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型。我们参照零件的自身结构特点和消失模铸造工艺特点将产品 泡沫模型进行分片处理，并对每一个模片进行结构工艺设计以利于发泡成型。每一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 工艺项目的成败和消失模铸造生产效率的高低，这是关系全局的

8、战略问题。  1.1  发动机缸体泡沫模型结构工艺设计         发 动机缸体通常由气缸、缸筒冷却水套、缸盖结合面强力螺孔、出砂工艺孔、气门挺杆孔、主油道孔系、机油回路孔、机油泵孔、凸轮轴孔（汽油机多为顶置凸轮，设 置在缸盖面上）、曲轴孔、曲轴箱、油底壳法兰、滤清器法兰、飞轮壳法兰、冷却水泵法兰、机油冷却器法兰、各种强化筋条和辐板等组成。           目前国内外在

9、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”型和直列式缸体）的方式，参见图2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，参见图3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的简化，进而对模片的发泡成型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

10、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，但是由于受到起模高度和模片对孤岛状芯模的强大包 紧力作用之限制，使得镂空处理的效果难如人意。                       图2  水平分型 图3  局部封实式曲轴箱结构工艺   亚洲一些国家的发动机缸体消失模工艺方案大致可以归结为两种类型：以日本为代表的外

11、形整体制模内部镶嵌缸套式工艺（参见图4所示）。和以中国为代表的水平 分型与竖直分型相结合工艺（参见图6所示）。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型难度。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，完全依靠机械化操作不能保证胶合质量，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，参见图7所示。这种模片工艺处理方案的优点是既能最大限度地减轻

12、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（镂空处理所用的成型芯块可以安装在侧面整体式抽芯模板上），使得泡沫模片成型质量得到提高。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 合的成型工艺，其优点是增加了泡沫模片成型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，既拉长了泡沫模片的制模周期，又使模具的使用 寿命变短。图4 整体制模与镶嵌缸套工艺  图5 砂型铸造曲轴箱结构    水 平分型与竖直分型相结合工艺分型方案的优点是既保证了曲轴箱的原始结构设计不变（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

13、量，因 此曲轴箱的原始设计其结构是相当复杂的，参见图5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的工艺是容易实现的，而用消失模成型工艺 采取竖直方向起模却无法达到顺利脱模之目的。如果采用图6所示之分型方案，就可将产品竖直方向的结构按照水平制模工艺来发泡成型了，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只重量小10kg。消失模缸体铸件为118kg, 普通砂型铸件为128kg。缸体铸件的重量减轻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），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。不足之处是水平胶合线与竖直胶合线有交叉，容易在此处出现胶合不良

14、现象。补救的办法是先人工检查再涂敷密封胶，图8为实物铸件。  图6  水平分型与竖直分型相结合工艺  图7  局部内凹式曲轴箱结构工艺             图8  (我国第一只自主研发的消失模铸造孕育铸铁长行程增压中冷干式缸套四缸柴油机缸体)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，加之笔者多年的生产实践，认为对于要求大批量生产的汽车行业发动机缸体消失模铸件而言，采用水平分型 和将曲轴箱

15、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的完全自动化制模和完全自动化胶合方案较佳。      1.2  发动机缸盖泡沫模型结构工艺设计      发动机缸盖通常由进气道、排气道、冷却水套、喷油器孔、机油孔、缸盖结合面强力螺孔、出砂工艺孔、气门挺杆孔、机油罩壳法兰面、冷却水接口法兰面、各种强化筋条和辐板等组成。        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

16、工艺设计上有少许不同，而分型方案的处理渐趋一致。经过多年的生产实践和研究发现：分型方案的处理 渐趋一致主要是出于泡沫模片的成型质量、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。由于铝合金的浇铸温度在720上下，铁合金的浇铸温度在1440上下,如此大的浇铸温差导致了在铝合金消失模铸造工艺上能实现的结构 （比如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这样的结构（比如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

17、材质如何变动，其铸件的泡沫模片的成型质量、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。                    图9  发动机缸盖泡沫模型分型方案 图10  发动机缸盖浇铸工艺方案   如 图9所示，发动机缸盖泡沫模型水平逐层分割成四只模片，各自单独发