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轿车发动机铝合金缸体和缸盖的铸造技术

润博传播2019-01-10 09:10:55

扩大铝合金的应用是轿车工业的主要发展趋势,国外汽车材料铝合金用量以每年!"O的速度递增。全部轿车缸盖和更多的缸体已采用铝合金生产。下面介绍世界若干主要的轿车制造厂所用的生产铝合金发动机缸体和缸盖的铸造技术。

1、压力铸造 

压力铸造的优点是能生产尺寸精度高、表面光洁度好、壁薄的铸件。因充填型腔的铝液流速高而引起的紊流将空气和氧化膜卷进铸件结构中,使铸件的内部致密性差。这个问题现在从以下途径来解决:

(1)在压室和压型中采用真空;

(2)采用更科学、更合理的浇注系统;

(3)采用半固态金属来代替液态金属。

对于缸体生产来讲,压力铸造的另一局限是由于压射比压高(55MPa~120MPa),须采用金属型芯,只能铸出开舱结构的缸体(图1)。与开舵结构相比,闭舱结构的缸体具有更大的刚性,后者即使在发动机功率增大时能降低噪声和振动水平。德国Daimler-Chrysler公司、法国Renault公司等采用压力铸造生产铝缸体。

2、中压铸造

日本Honda本田汽车公司及toukei公司分别研究新压铸法(图2)及中压压铸法(图3)用于生产铝缸体。 2者皆可采用砂芯从而可生产具有闭舵结构的缸体。

压力铸造的压射比压高达55MPa~MPa,而中压铸造仅为5MPa~20MPa。

3、低压铸造

低压铸造是铝液在很低的压力(0.3MPa)下,由下而上地充填型腔(图4)通常采用的是金属型和砂芯,因此可以获得闭舵结构的缸体。

这种方法的缺点是生产率低,因充型时间仅需5s~15s,保压时间则需3min~6min ,整个生产循环达10min~11min。大量生产轿车缸体、缸盖时,需要多台机器和多套模具。美国福特公司用此法生产铝缸盖。

日本toyo丰田公司采用类似于低压铸造的真空吸铸法(图6)生产铝缸体。

4、金属型铸造

金属型铸造主要用于生产铝缸盖及简单的铝缸体。 德国Daimler-Chrysler公司有2台直径分别为12m及13m的12工位转盘金型机,生产铝缸盖。毛坯质量12kg,浇冒口质量6kg,浇注温度为730℃,浇注时间为9s,,生产节拍为30s,。浇注后缸盖进行热处理。

德国VW公司汉诺威铸铝厂采用9台6工位转盘金型机生产铝缸盖。


5、Cosworth法

英国Campbll教授发明的Cosworth法(图6),采用冷芯盒砂芯组芯造型,但是它使用锆砂(通常在铸造生产中使用石英砂)。它利用电磁泵来实现在可控压力下使铝合金液由下而上地充填铸型。由于锆砂的热膨胀率很小而且恒定,因而有利于获得尺寸精确度高的铸件。但是,由于锆砂导热性极好,比石英砂高出2倍,因而用它所造的砂型难以浇注出壁厚<400m的铝铸件。另外,砂芯采用机械组装,组装后砂型如同1个整体,也有利于确保铸件尺寸精度。

 

Cosworth法最初是用于一级方程式赛车发动机缸体、缸盖及航空铸件的小批量生产。80年代中期美国Fotd汽车公司从英国引进这一技术,对其加以改造,使之适用于大批量生产。为此Fotd公司于1988年投资580万美元兴建一中试车间即“铸铝研究开发”车间,安装有倾转式Cosworth铸造机及容量为22.7t的熔化炉,试浇注v-6及v-8轿车发动机缸体和缸盖。在工艺成熟的基础上,Ford汽车公司投资近六千万美元在1992年秋建成安装有"38台冷芯射芯机、103台机器人以及3台倾转式Cosworth转盘铸造机的全自动铸铝厂。该厂已具备年产约89万件缸体的生产能力。其铸件废品率(内废、外废)仅0.6%,这样低的废品率对于大量生产复杂薄壁铝合金铸件来讲,在世界上是罕见的。

Cosworth法(图7a、b )的特点是:将铝液从保温炉输送到型腔中时没有能形成新的氧化膜的搅动;型腔的充填由计算机控制,由于型腔的充填是采用底注的,因此要求电磁泵连续地向型腔供应铝液直至铸件完全凝固为止。以代表性的缸盖铸件为例,充型和凝固时间约为4.5min,其中充型时间仅为10s~12s,。电磁泵的利用率低。

经过改进的Cosworth倾转法(图7b)是从铸型的侧面注入铝液直至型腔被充满为止。随后将整个铸型倾转,此时电磁泵仍在工作,当铸型被倾转180°后电磁泵开始降低压力以便处于横浇道中的铝液返回到电磁泵的浇注管中,铸件则在具有热的铝液的冒口作用下进行凝固。这样1台电磁泵配合1台倾转铸型机每小时浇注55型。Ford汽车公司采用四工位转盘式浇注机(配1台电磁泵),每小时生产率达100型。

6、精确砂型铸造

常温下在芯盒内通气快速硬化砂芯的“冷芯盒”制芯技术的应用,使制芯生产率和砂芯尺寸的可预见性得以提高,精确砂芯组芯造型(即精确砂型)一定程度上取代常用于生产铸铁及铸铝汽车件的粘土砂型及金属型。以下简述几种具有代表性的使用精确砂型的铸造方法。

(1)英国Zeus法采用冷芯盒砂芯组芯造型,重力浇注。由于所用的工艺装备(芯盒)制造得十分精确,可获得尺寸十分精确的铝铸件,该方法可生产壁厚仅2.5min的复杂铝合金发动机缸体、缸盖。

(2)德国Alucast铸造厂采用1种独特的方法来进行冷芯盒砂芯的组装。先制好的1底盘砂芯滞留在第!套芯盒的下芯盒内。该底盘砂芯的下芯盒就作为输送“夹具”逐次通过生产线上的每1台射芯机,利用芯盒上精确的定位销、套系统进行自动砂芯装配(图8 )。每台射芯机生产相应的1层砂芯,除第!台射芯机外,其余的射芯机皆将制造的砂芯滞留在上芯盒中,以便进行由上而下的组装。

Alucast 的生产纲领是年产85万件铝缸体和缸盖,其最小壁厚为2.5mm~3mm,铸出的孔最小直径为3mm。墨西哥Castech铸造厂在2002年下半年亦将采用此法为GM汽车公司生产V6铝缸体。

美国Ford汽车公司于2000年7月建成了年产31万件铝缸体的克利长兰铸铝厂(CACP),该厂采用石英砂三乙胺冷芯盒组芯造型及电磁泵低压铸造工艺,实际上是对Cosworth法进行了修正。

7、实型铸造

实型铸造(消失模铸造)采用遇液体金属后即气化的泡沫塑料作模样,无分型面,不用取模,不用砂芯,采用无水分、无粘结剂、无附加物的干砂造型,可以生产薄壁、零度拔模斜率的复杂铸件,还可直接铸出螺纹及曲折的通道。可以减少机械加工工序。

美国GM公司发动机总成部(GMPT)在将实型铸造用于大量生产方面在世界上处于领先地位。

纽约州的马森纳工厂在80年代就用实型铸造生产1种4.3LV6汽车柴油机的铝缸盖。在1986年将其用于生产2.2L四缸铝缸盖,迄今已生产了500万件。1986年通用公司在其所属的土星汽车厂用实型铸造生产铝缸体和缸盖以及球铁曲轴和凸轮轴。

90年代末,GM公司铸造开发和验证中心(CDVC)开发用实型铸造生产出铝缸体(质量40kg)及缸盖(质量22kg)的技术。在2001年GM公司萨金诺铸造厂(CMOO)用此法生产了288000件铝缸体和288000件铝缸盖。预计到2002年10月,CMOO可达到日产2100件铝缸体和2100件铝缸盖的目标。

德国BMW汽车公司在几年前已建立成年产330000件铝缸盖的实型铸造厂。

8、湿型铸造

美国GM汽车公司萨基诺金属铸造厂数年前将生产铸铝件的高压造型线改建为生产铝缸盖,2001年用粘土砂湿型生产了1925000铝缸盖。

丹麦DISA公司一直致力于开发垂直分型无箱射压造型机及低压浇注来生产铝铸件,特别是铝缸体。这种工艺采用低压体铝液从砂型侧面由下而上地充填型腔。在充填完毕后,将砂型底侧的浇口切断,并将!通气小管从上向下插入砂型的冒口内,引入气压体冒口进行补缩。如果这种工艺能成功地用于大量生产铝缸体,则由于上述造型机的高生产率(200型/小时!<300型/小时),它将带来很大的经济效益。

9、结束语

世界著名汽车厂铝合金缸体、缸盖所用的铸造工艺,见表1。


由于铝合金浇注温度低(700℃上下),其铸件工艺是多样化的。对于1个轿车制造厂来讲,选择适宜的铸造工艺是极为重要的。为此,必须对各种铸造工艺产品品质的综合影响进行深入的调研和分析,才有可能作出正确的选择。