关于铸件的铸造及机加工工艺的探讨

鹿才敏

摘要：随着铸造技术水平的提高，铸造业也面临着新的发展机遇和挑戰。现代汽车制造业的发展对铸件提出了新的要求，即重量更轻、壁更薄、形状更复杂、强度更高。铝具有比强度高、耐腐蚀性能优良、适合多种成型方法、较易再生利用等优点，是汽车工业应用较多的金属材料，特别是能源、环境、安全等方面的原因使对汽车轻量化的要求越来越迫切，使用轻量化材料是实现汽车轻量化的重要途径。本文论述了铝合金的发动机机体及其铸造工艺，介绍了铸造铝合金缸盖及其工艺技术。

关键词：铸造铝合金；发动机；工艺技术

随着人们对环境的日益重视以及能源的紧缺，汽车轻量化已经是大势所趋。采用铝合金零件替代钢铁零件是降低汽车重量的有效措施，因此增大铝合金在汽车上的应用已经成为汽车零部件发展的主要趋势。缸体缸盖是汽车最重要的部件，同时也是汽车上最重的铸件，因此采用铝合金生产缸体缸盖可以在一定程度上减少汽车的重量。由于缸体缸盖具有结构复杂、强度高、形状复杂且尺寸精度要求高、工作条件恶劣等特点，因而铝合金缸体缸盖铸件的合格率普遍比较低。如今，随着发动机效率的不断提高，发动机的内部构造变得越来越复杂，发动机的技术要求也变得越来越高。因此，如何提高缸体缸盖的制造水平是当今铝合金缸体缸盖铸造的重要课题。

一、铸造铝合金是发动机轻量化材料

在汽车工业发达国家，汽车用铝铸件占到各类铝铸件产量的大半，用于汽车发动机上的铝合金大体上可分为铸造铝合金、变形铝合金和铝基复合材料。铸造铝合金在汽车发动机上的各种附件。与铸铁比，铝的导热性能约高3倍，因而最适于必须要散热的热交换器零件上，这也是铝活塞所要求的特征由于铝的熔化温度低、流动性好，故易制造复杂形状的零件。根据表面处理及使用条件，可直接作为轴承面使用，也可用于气缸体。机械制造业广泛用铝和铝合金制造发动机零部件气缸等。这是因为铝及其合金不但密度轻而且能达到所要求的强度，从而能降低在运转中的能量消耗或者在使用相同能量的条件下大大地提高运转速度，同时也有可能延长机件的使用寿命。灰铸铁气缸体改用铝合金铸造，必须满足如下一些额外的要求：

（1）确保气缸筒滑移表面耐磨不易变形。首先是气缸筒/活塞/活塞环摩擦副的耐磨性和摩擦学问题。活塞和活塞环由于作为摩擦副耐磨性和摩擦学特性不好而不能直接在铸铝合金气缸筒上工作。解决的办法是在铝合金气缸体中铸入其他材料的气缸套，或者在气缸筒上涂敷其他材料。其次是气缸筒之间区域的变形问题。该区域的应力是由热应力和由于安装力、气缸的内压力引起的机械应力叠加在一起形成的。在较高的最大爆发压力下，首先是动载荷提高了，以致气缸筒之间的区域出现明显的变形和应力。为了改变这种局面，必须使气缸筒之间的区域达到足够的尺寸，还要采用合适的形状，同时采取有效的冷却措施。

（2）满足传递力流的要求。现代铝合金具有足够的强度可以用作发动机气缸体材料，但成问题的是螺纹连接部位。螺纹孔中的螺纹会由于装配而发生局部的塑性膨胀。装配以后，全靠螺纹孔口上的最前面几道螺纹承受作用力。由于有很高的静载荷，可以在这个区域观察到对这种铝合金而言相当典型的局部塑化现象。如果在预装配或者后来的维修过程中多次将螺栓连接、松开又重新装上，那么情况就会变得很严峻。高的热载荷与机械的交变载荷叠加在一起，会引起材料的疲劳，同样可能导致螺栓连接的失效。另一种铝合金气缸体失效方式是，从螺纹孔出口的螺纹槽底部延伸出来的裂纹。由于钢螺栓和铝合金气缸体之间弹性模量和热膨胀系数的差异，在发动机运行过程中，主要依靠螺栓和螺纹孔的最后几道共同的螺纹承担着载荷。

二、铝合金的发动机机体及铸造工艺

汽车上最重要、最复杂的铸件位于汽车的心脏——发动机上。为防止汽车有“心脏病”，发动机上的主要铸件的质量尤为重要。缸体便是发动机上最大、最复杂的铸件，其壁厚最薄处往往不到3mm，大多用高强度灰铸铁铸造，也有蠕墨铸铁的。由于汽车轻量化的进展，采用铝合金的也越多，有的汽车制造厂家甚至开始考虑用镁合金铸造缸体。生产缸体所用的铸造方法因材质不同，因各厂家条件不同而有多种选择，包括湿砂造型中的气冲造型，静压造型、高压多触头造型、无箱挤压造型、震压造型等，对于铸铝缸体，则采用低压铸造、消失模铸造、挤压铸造，压铸以及半固态铸造等，还有采用砂型铸造的。在铝合金气缸体中，处理气缸筒滑移表面的标准方案是采用一个用铸铁材料制成的气缸套。这种气缸套通常是铸入到铝合金气缸体中去的。在加工以后的状态下，其壁厚可以达到1.5或者2.0mm以下。所用缸套离心铸造材料的弹性模量不比铝合金高出许多。但这种方案材料的质量较大，还容易发生气缸筒变形，会在铸铁和铝之间形成间隙，造成较低的导热性和较高的磨损。铸铁缸套可以有不同的方案：一是灰铸铁气缸套外表面涂敷涂层以解决铝和气缸套之间金属内部联接的问题，从而避免形成间隙；二是气缸套采用粗糙的、能阻止分离的外表面形状并与压铸工艺相结合，提供了一种非常良好的机械铆固组合体。

另一种解决方案是铸入耐磨的铝合金气缸套。为此，目前存在两种工艺方法：采用通过在纤维材料中渗人铝熔液而制成的预成型件，从而导致随地点而改变的材料特性，这种技术主要是与挤压铸造结合在一起使用的；采用激光或等离子体涂敷工艺，借助于激光或等离子体射束在铝合金气缸筒表面上涂敷一层仅几十微米厚的耐磨涂层。这个涂层也算是一种缸套。不过，对有待涂敷的工件有很高的要求。对于2.0L的4缸铝合金气缸体来说，如果要求达到20MPa的缸内最大爆发压力，那么采用铸铁缸套时，气缸筒之间的区域很难小于10mm。如果在气缸筒上直接涂敷涂层，例如在批量生产中采用激光或等离子体涂敷工艺，那么情况就会好一些。利用这些方法，气缸筒之间区域的最小宽度缩小了l～2mm，借此赢得的空间可以用于采取冷却措施，除了减轻质量以外，采用激光或等离子体涂敷工艺还能减少摩擦损失和提高耐磨性。

铝合金较低的强度及其蠕变倾向以及螺纹孔与螺栓之间不同的热膨胀，这些都十分有必要采用铸铁和轻型结构材料的混合结构，就是说，既非全铁，又非全铝。直列式铝合金机体配用球墨铸铁主轴承下体结构，采用了贯通的拉杆螺栓，铸入球墨铸铁镶嵌件，并且在气缸体和油底壳之间加入铝质的机体中间框架；V形铝合金机体中铸入球墨铸铁镶嵌件，并且采用贯通拉杆螺栓的结构。机体中间框架和底板结构都能够为变速器提供支承，从而增强整个动力总成的刚度。各种结构形式都有一个共同的特点，就是采用铸铁的主轴承下体，利用铸铁承受高的缸内最大爆发压力所产生的力流，而且主轴承具有与曲轴相近的热膨胀系数。这除了有助于解决力流传递外，还解决了主轴承间隙扩大的问题。这种结构决不逊色于全部采用灰铸铁的发动机。通过改进曲轴箱形状，能够创造一种有利于降低固体声的先决条件。目前，在发动机结构中常见的曲轴箱结构可以分为长裙和短裙两种。长裙结构能够用机体中间框架去增强无依无靠的曲轴箱裙部，机体中间框架可以带、也可以不带主轴承连接结构；或者利用横向螺栓连接使曲轴箱裙部得到增强。这样一来，就可以减少与声学特性密切相关的主轴承盖的振动。短裙结构曲轴箱几乎都与机体中间框架或者底板组合在一起。有一种特殊的方案是将中间框架的功能整合到油底壳上体这个零件中去。这种设计刚性可以非常好，因为几乎是封闭的。如果采用底板，那么主轴承和曲轴箱下体整合在一起，底板就成为刚性最好的解决方案。但是，此时往往为了控制主轴承的扩大而不得不采用一个费用高昂的铸人件。所以，将一个中间框架/油底壳上体组合在一起往往是最佳解决方案。无论是底板结构还是机体中间框架结构，如果同时还用于支承变速器，则构成发动机/变速器组合结构的增强概念，都能够相对于原型机的灰铸铁机体达到非常良好的结构传递特性。除了改善声学特性以外，通过这种方式还达到了良好的整车振动特性。

此外，铝合金和镁合金的耐磨性较差，不能满足气缸筒表面的要求。而且，它们的蠕变强度有限，而这种蠕变强度是设计中必须加以考虑的。这些缺点可以通过改善结构加以补救，但这将使成本上升得更高。铝合金和镁合金相比，镁的强度指标胜铝一筹，密度也更小，所以在汽车上早就有所应用，例如桑塔纳轿车的变速器壳体一直采用镁合金压铸。该公司最近还是成功地将一台升功率达到67kW/L的5气门、1.8L涡轮增压汽油机的灰铸铁气缸体改成了镁-铝混合材料气缸体，使发动机整机质量从145kg 降为122kg。选择铝合金作为机体材料是目前发动机轻量化的有效途径，如图所示。

铝合金机体的铸造工艺从原理上可以分成多次使用的铸型和一次使用的铸型。砂芯的制造方法也有所不同。此外，压铸对于水套的长度有着间接的影响。由于气缸直径、拉杆螺栓的位置、密封法兰最小宽度以及必需的通常为0.5°的起模斜度等因素，实际制成的压铸机体的水套通常至多只能覆盖活塞行程的70%。这会降低通过活塞环的热流量，提高机油的热负荷。在机体结构方面，压铸有一些局限性。不过这些均可通过技术手段加以控制。机体是否采用压铸的工艺，首先还是取决于生产批量。对于高负荷发动机来说，选择砂型铸造更能通过合适的造型工艺、合金优化和热处理来生产可靠、耐久的发动机机体。从零件成本看，充分利用砂型铸造在成型方面较大的自由度，还可以将各种功能整合到气缸体中去，在总体上减轻质量，提高经济效益。

三、铸造铝合金缸盖及工艺技术

缸盖也是汽车上既复杂又关键的铸件，发动机的燃烧室、进气口、排气口都位于缸盖上。缸盖的材质可以是高强度灰铸或蠕墨铸铁，但应用最广的还是铝合金缸盖，而镁合金缸盖也开始使用。缸盖的铸造方法较多，诸如：砂型铸造、金属型重力铸造、低压铸造、消失模铸造、压铸和新兴的半固态铸造等。以金属型重力铸造铝缸盖为例。缸盖的外形皆由金属型形成，可采用计算机自动控制金属型的型温。部分内腔由砂芯形成，砂芯的制造工艺与前述缸体的制芯过程基本相同，主要是芯砂粘结剂和砂芯涂料不同。在铝铸造行业中，汽车发动机铝合金汽缸盖是一种结构复杂、壁厚不均匀的铸件，铸件壁厚一般为3.0～4.5mm，尺寸精度及力学性能要求高，而且不同类型的发动机缸盖结构、形状也千差万别，因此，铝缸盖的铸造工艺难度大，成品率业内较好水平也不过在85%左右。目前，常用的铸造方法有：金属型重力铸造法；金属型低压铸造法；砂型铸造法；消失模铸造法等。目前462Q、465Q铝缸盖常用金属型重力铸造，其凸轮轴、摇臂轴与缸体为整体结构，凸轮轴、摇臂轴处与其它处壁厚相差较大，在生产中采用的铝硅合金牌号为ZL101A。在制芯、熔化、浇注、开型、清理及粗加工、热处理等整个工艺过程中，每个环节对铸件的质量都有很大的影响，控制不好将产生氧化夹渣、气孔气泡、缩松、裂纹、冷隔、针孔等铸件缺陷。铝合金熔化可采用反射炉，但氧化、吸气严重，烧损失、温度难控、浪费能源、污染环境。采用感应电炉时，铝水在炉内的翻腾有利于成份均匀化，但感应炉磁场对测温仪有干扰，感应炉的维修较难，值得广为采用的是连续高效燃气炉，可实现炉料预热、连续熔化、成份均匀、温控精确、节约能源、适于大量生产。应注意炉料要洁净，除用一般的铝液清炼，变质处理方法外，可采用铝合金熔剂喷吹综合处理装置，使精炼、变质、品粒细化一步完成。缸盖的传统浇注方式为底注式，便于铝液的平衡充型。现在多采用顶注式，与铸型的冷却系统相配合。更便于顺序凝固的形成，从而显著提高铸件的致密性。浇注过程中铸型的排气要通畅，多采用自动浇注包括单机式，双机组式以及多机组直列式。而多工位转盘式浇注机更适合大批量生产，但投资大。多机组旋转式浇注机则投资较少。铝液铸型的维护很重要，可定期用喷射小颗粒干冰的方法来清除铸型的积垢，此法简便易行，不污染环境。浇注后的铝缸盖铸件在清理线上锯掉浇冒口、铣平面，经渗漏试验后，往往经粗加工和铣加工定位点之后才能装车使用。

缸盖的低压铸造工艺方案一般为一根升液管，多个浇口即多权分流的形式。铝合金缸盖的材料一般选择AI-Si-Cu系合金如ZL105和107。如果对延伸率和耐腐蚀性有要求，也可以使用ZL101和ZL104。为获得高质量的金属液，标准操作应使用Ar气旋转吹气精炼并加入Sr变质及AJ-Ti-B细化晶粒。浇注前模具预热至200℃左右喷涂料。缸盖的形状复杂，应特别注意不同部位的涂料厚度不同。一般部位涂料厚度控制在0.1～0.2mm。精度要求高如燃烧室表面应采用颗粒细小的涂料，厚度为0.08mm左右；而对于浇口、冒口、内浇道等需要缓慢凝固的位置可适当厚一些，一般为0.5～1mm左右。铝液温度对缸盖内部缺陷、外观质量有很大的影响。浇注温度在680℃～730℃的范围内为宜，实际操作中温度偏差应控制在20℃以内。

近年来，凝固数值模拟技术的发展为缸盖的低压铸造工艺优化提供了很好的参考依据，它可充分把握不同条件下的凝固测试结果，强化铸造工艺过程控制，确保铸件质量。从充型到浇口凝固的时间称为加压时间，受温度的影响很大。在稳定生产条件下，加压时间虽然因缸盖的重量不同而有所变化，但一般控制在2～8min。若从提高生产效率的角度考虑，可采取1模2件、2段加压等方法缩短时间闭。同加压时间一样，因温度的变化而变化。时间短时铸件易变形；时间过长则铸件易卡在模具内取不出来。一般控制在加压时间的1/3左右。为提高铸件冷却速度，起模时可先开脱模阻力小的侧模，冷却一定时间后再开上模。加压压力直接影响到金属液的流动充填性能和补缩效果，加压曲线是低压铸造工艺控制中的重要一环。冒口的补缩压力一般在0.005～0.01MPa左右。虽然压力大补缩效果好，但如果压力超过0.01MPa，会导致涂料剥离、铝液堵塞模具排气孔及渗入到砂芯中。浇注过程中及时排出砂芯燃烧产生的气体是非常必要的，但因缸盖所用砂芯结构复杂、数最多，在模具中设置大量的排气孔很困难。此时，将冒口补缩压力提高到上限附近，可有效防止气体卷入到铸件里面。柑祸内的液面高度变化影响到加压曲线的重复再现性，因此柑祸内的压力应能自动补偿。另外，若升液管下端与柑祸底部间的间隔过短加压时溶液易产生紊流流动。因此，在不影响溶液使用的情况下，升液管下端与柑锅底部间的间隔在200mm左右为宜。铝合金缸盖是适合于低压铸造的汽车零件之一，因此充分发挥其工艺出品率搞、内部质量好的優点，扩大低压铸造技术在铝合金缸盖的生产应用，以适应我国轿车工艺快速发展。

目前，由于汽车市场具有源源不断的需求，汽车生产一直是最具活力的朝阳产业，汽车后市场的形成也成为最具潜力的新兴产业，随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，对交通工具的需求越来越多，因此，铝合金材料在我国交通运输业上的发展空间还很大。同时由于发动机零部件采用了铸铝合金件，减轻了质量，从而减少发动机的振动，降低了噪声，使发动机的油耗下降，这也符合汽车的发展趋势。

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