本文關(guān)鍵詞：轎車發(fā)動機鋁合金缸體和缸蓋的鑄造技術(shù)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

轎車發(fā)動機鋁合金缸體和缸蓋的鑄造技術(shù)；清華大學吳浚郊１；摘要：從世界范圍看．轎車工業(yè)是鑄造工業(yè)的最大用戶；ｌ、壓力鑄造（圈１）；壓力鑄造的優(yōu)點是能生產(chǎn)尺寸精度高、表面光潔度好、；（１）在壓室和壓型中采用真空；；（２）采用更科學、更合理的澆注系統(tǒng)；；（３）采用半固態(tài)金屬來代替液態(tài)金屬；它們都在不同程度上取得了成效；對于缸體生產(chǎn)來講，壓力鑄造的另一局限是由于壓射

轎車發(fā)動機鋁合金缸體和缸蓋的鑄造技術(shù)

清華大學吳浚郊１

摘要：從世界范圍看．轎車工業(yè)是鑄造工業(yè)的最大用戶，同時也是鑄造技術(shù)進步的～個主要推動力。為了降低燃料消耗、減少環(huán)境污染，轎車鑄件朝著輕量化、精確化、強切化和復(fù)合化方向發(fā)展。國外正在研究３ｍｍ壁厚的灰鑄鐵缸體．３ｒａｍ壁厚的耐熱合金鋼排氣管和２０～２．５１１１１１１壁厚的球墨鑄鐵件。而擴大鋁臺金的應(yīng)用是轎車工業(yè)的重要發(fā)展趨勢，國外汽車材料鋁合金用量以每年ｌ∞‘的速度遞增。目前幾乎全部轎車缸蓋已采用高強度鋁合金生產(chǎn)，預(yù)計有更多的缸體也將采用鋁臺金生產(chǎn)。生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的精確成形鑄件（Ｎｅｔｓｈａｐｅｃｏｓｔｉｎｇｓ）是各國汽車鑄件生產(chǎn)廠的共同目標。為此，除原有的精確鑄造成形技術(shù)不斷有所改進外，也開發(fā)了多種新的鑄造技術(shù)。本文介紹世界若干主要的轎車制造廠所采用的生產(chǎn)鋁合金發(fā)動機缸體和缸蓋的鑄造技術(shù)。關(guān)鍵詞：轎車發(fā)動機、鋁合金、缸體和缸蓋、鑄造技術(shù)

ｌ、壓力鑄造（圈１）

壓力鑄造的優(yōu)點是能生產(chǎn)尺寸精度高、表面光潔度好、壁厚薄的鑄件。但是，因充填型腔的鋁液流速高而引起的紊流將空氣和氧化膜卷進鑄件結(jié)構(gòu)中，使鑄件的內(nèi)部致密性差。這個問題現(xiàn)在從以下途徑來解決：

（１）在壓室和壓型中采用真空；

（２）采用更科學、更合理的澆注系統(tǒng)；

（３）采用半固態(tài)金屬來代替液態(tài)金屬。

它們都在不同程度上取得了成效。

對于缸體生產(chǎn)來講，壓力鑄造的另一局限是由于壓射比壓高（５５～１２０Ｍｐａ）須采用金屬型芯，只能鑄出開艙結(jié)構(gòu)的缸體（圖２）。與開舵結(jié)構(gòu)相比，閉艙結(jié)構(gòu)的缸體具有更大的剛性，后者即使在發(fā)動機功率增大時能降低噪聲和振動水平。

德國Ｄａｉｍｌｅｒ．ｃｈｒｙｓｌｅｒ公司、及法國Ｒｅｎａｕｌｔ公司等采用壓力鑄造生產(chǎn)鋁缸體。昊泣郊清華太學機械制造工程系，北京１０００８４

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圖１圖２

２，中壓鑄造

日本Ｈｏｎｄａ本田汽車公司及Ｔｏｕｋｅｉ公司分別研發(fā)了新壓鑄法（圖３）及中壓壓鑄法（圖４ｊ用于生產(chǎn)鋁缸體。兩者皆可采用砂芯從而可生產(chǎn)具有閉舵結(jié)構(gòu)的缸體。

壓力鑄造的壓射比壓是５５～１２０Ｍｐａ，而中壓鑄造僅為５～３０Ｍｐａ。

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圖３圖４

３，，低壓鑄造

低壓鑄造是鋁液在很低的壓力（＂－０．０３Ｍｐａ）下由下而上地充填型腔（圖５）通常采用的是金屬型和砂芯，因此可以獲得閉舵結(jié)構(gòu)的缸體。

這種方法的缺點是生產(chǎn)率低，因為雖然充型時間一般僅需５一．１５秒，但保壓時間則需３～６分鐘，整個生產(chǎn)循環(huán)達１０ｂｌ１分鐘。在大量生產(chǎn)轎車缸體、缸蓋時，就需要多臺機器和多套模具。美國福特公司用此法生產(chǎn)鋁缸蓋。日本Ｔｏｙｏｔａ豐田公司采用類似于低壓鑄造的真空吸鑄法（圖６）生產(chǎn)鋁缸體。

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圖５

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圖６

４、金屬型鑄造

金屬型鑄造主要用于生產(chǎn)鋁缸蓋及簡單的鋁缸體。

德國Ｄａｉｍｌｅｒ—Ｃｈｒｙｓｌｅｒ公司有兩臺直徑分別為１２米及１３米的１２工位轉(zhuǎn)盤金型機（圖７）缸蓋，生產(chǎn)鋁缸蓋。

毛坯重１２公斤，澆冒口重６公斤。澆注溫度為７３０＂Ｃ，澆注時間為９秒，生產(chǎn)節(jié)拍為３０秒。澆注后缸蓋進行熱處理。

工位ｌ，囪開啟的金屬型中自動下芯ｌ

工位２：下芯及澆泣過程中間的安全工位，

工位３；缸盞自動澆注，

工位４～９：澆注了的缸盞進行冷卻。

圖７８１

德國ＶＷ公司漢諾威鑄鋁廠采用９臺６工位轉(zhuǎn)盤金型機生產(chǎn)鋁缸蓋

５、Ｃｏｓｗｏｒｔｈ法

英國Ｃａｍｐｂｅｌｌ教授發(fā)明的Ｃｏｓｗｏｒｔｈ法（圖８）采用冷芯盒砂芯組芯造型，但是它使用鋯砂（通常在鑄造生產(chǎn)中使用石英砂）。它利用電磁泵來實現(xiàn)在可控壓力下使鋁合金液由下而上地充填鑄型。由于鋯砂的熱膨脹率很小而且恒定，囡而有利于獲得尺寸精確度高的鑄件。但是，由于鋯砂導(dǎo)熱性極好，比石英砂高出兩倍多。因而用它所造的砂型難以澆注出壁厚小于４ｍｍ的鋁鑄件。另外，砂芯采用機械組裝，組裝后砂型如同一個整體，也有利于確保鑄件尺寸精度。

圖８

Ｃｏｓｗｏｒｔｈ法最初是用于一級方程式賽車發(fā)動機缸體、缸蓋。以及航空鑄件的小批量生產(chǎn)。８０年代中期美國Ｆｏｔｄ汽車公司從英國引進這一技術(shù)．并且對其加一改造，使之適用于大量生產(chǎn)。為此Ｆｏｔｄ公司于１９８８年投資５８０萬美元興建一中試車間即“鑄鋁研究開發(fā)”車間（ＣａｓｔｉｎｇＡｌｕｍｉｎｕｍＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，簡稱ＣＡＲＤ），其中安裝有與生產(chǎn)用設(shè)備一樣大的傾轉(zhuǎn)式Ｃｏｓｗｏｒｔｈ鑄造機及容量為２２．７ｔ的熔化爐，“真刀真槍”地試澆注Ｖ－６及ｖ．８轎車發(fā)動機缸體和缸蓋。在工藝成熟的基礎(chǔ)上，Ｆｏｒｄ汽車公司投資近六千萬美元在１９９２年秋建成安裝有３８臺冷芯射芯機、１０３臺機器人以及３臺傾轉(zhuǎn)式Ｃｏｓｗｏｒｔｈ轉(zhuǎn)盤鑄造機的全自動鑄鋁廠（ＷｉｎｄｓｏｒＡｌｕｍｉｎｕｍＰｌａｎｔ，溫莎鑄鋁廠現(xiàn)歸屬Ｎｅｍａｋ公司）。該廠目前己具備年產(chǎn)約８９萬件缸體的生產(chǎn)能力。其鑄件廢品率（內(nèi)、外廢）僅Ｏ．６％，這樣低的廢品率對于大量生產(chǎn)復(fù)雜薄壁鋁合金鑄件來講，在世界上是罕見的。

Ｃｏｓｗｏｒｔｈ法（圖９ａ、ｂ）的特點是：在將鋁液從保溫爐輸送到型腔中時沒有能形成新的氧化膜的攪動；型腔的充填由計算機控制，由于型腔的充填是采用底注的，因此要求電磁泵連續(xù)地向型腔供應(yīng)鋁液直至鑄件完全凝固為止。以一有代表性的缸蓋鑄件為例，其充型和凝固時間約為４．２５分．其中充型時間僅為１０～１２秒。這就導(dǎo)致電磁泵的利用率過低。

經(jīng)過改進的Ｃｏｓｗｏｒｔｈ傾轉(zhuǎn)法（圖９ｂ）是從鑄型的側(cè)面注入鍋液直至型腔被充滿為止。隨后將整個鑄型傾轉(zhuǎn)ｔ此時電磁泵仍在工作，當鑄型被傾轉(zhuǎn)１８００后電磁泵開始降低壓力以便處于橫澆道中的鋁液返回到電磁泵的澆注管中，而鑄件則在具有熱的鋁液的冒口作用下進行凝固。這樣一臺電磁泵配合一臺傾轉(zhuǎn)鑄型機每小時可澆注５５型。而Ｆｏｒｄ汽車公司采用四工位轉(zhuǎn)盤式澆注機（配一臺電磁泵），每小時生產(chǎn)率達１００型。

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圖９

６、精確砂型鑄造

由于在常溫下在芯盒內(nèi)通氣快速硬化砂芯的“冷芯盒”制芯技術(shù)的應(yīng)用，使制芯生產(chǎn)率和砂芯尺寸的可預(yù)見性得以提高，精確砂芯組芯造型（即精確砂型）正在一定程度上取代目前常用于生產(chǎn)鑄鐵及鑄鋁汽車件的粘土砂型及金屬型。以下簡述幾種具有代表性的使用精確砂型的鑄造方法。

（”英國Ｚｅｕｓ法采用冷芯盒砂芯組芯造型，重力澆注。由于所用的工藝裝備（芯盒）制造得十分精確，因而可獲得尺寸十分精確的鋁鑄件，這種方法可以生產(chǎn)壁厚僅２．５ｍｍ的復(fù)雜鋁合金發(fā)動機缸體、缸蓋。

（２）德國ｇｌｕｃａｓｔ鑄造廠采用一種獨特的方法來進行冷芯盒砂芯的組裝。首先使制好的一底盤砂芯滯留在第一套芯盒的下芯盒內(nèi)。該底盤砂芯的下芯盒就作為一輸送“夾具”逐次通過生產(chǎn)線上的每一臺射芯機，并利用芯盒上精確的定位銷、套系統(tǒng)進行自動砂芯裝配（圖１０）。每一臺射芯機生產(chǎn)相應(yīng)的一層砂芯，除第一臺射芯機外，其余的射芯機皆將制造的砂芯滯留在上芯盒中，以便進行由上而下的組裝。

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