關于鑄件的鑄造及機加工工藝的探討

鹿才敏

摘要：隨著鑄造技術水平的提高，鑄造業也面臨著新的發展機遇和挑戰?，F代汽車制造業的發展對鑄件提出了新的要求，即重量更輕、壁更薄、形狀更復雜、強度更高。鋁具有比強度高、耐腐蝕性能優良、適合多種成型方法、較易再生利用等優點，是汽車工業應用較多的金屬材料，特別是能源、環境、安全等方面的原因使對汽車輕量化的要求越來越迫切，使用輕量化材料是實現汽車輕量化的重要途徑。本文論述了鋁合金的發動機機體及其鑄造工藝，介紹了鑄造鋁合金缸蓋及其工藝技術。

關鍵詞：鑄造鋁合金；發動機；工藝技術

隨著人們對環境的日益重視以及能源的緊缺，汽車輕量化已經是大勢所趨。采用鋁合金零件替代鋼鐵零件是降低汽車重量的有效措施，因此增大鋁合金在汽車上的應用已經成為汽車零部件發展的主要趨勢。缸體缸蓋是汽車最重要的部件，同時也是汽車上最重的鑄件，因此采用鋁合金生產缸體缸蓋可以在一定程度上減少汽車的重量。由于缸體缸蓋具有結構復雜、強度高、形狀復雜且尺寸精度要求高、工作條件惡劣等特點，因而鋁合金缸體缸蓋鑄件的合格率普遍比較低。如今，隨著發動機效率的不斷提高，發動機的內部構造變得越來越復雜，發動機的技術要求也變得越來越高。因此，如何提高缸體缸蓋的制造水平是當今鋁合金缸體缸蓋鑄造的重要課題。

一、鑄造鋁合金是發動機輕量化材料

在汽車工業發達國家，汽車用鋁鑄件占到各類鋁鑄件產量的大半，用于汽車發動機上的鋁合金大體上可分為鑄造鋁合金、變形鋁合金和鋁基復合材料。鑄造鋁合金在汽車發動機上的各種附件。與鑄鐵比，鋁的導熱性能約高3倍，因而最適于必須要散熱的熱交換器零件上，這也是鋁活塞所要求的特征由于鋁的熔化溫度低、流動性好，故易制造復雜形狀的零件。根據表面處理及使用條件，可直接作為軸承面使用，也可用于氣缸體。機械制造業廣泛用鋁和鋁合金制造發動機零部件氣缸等。這是因為鋁及其合金不但密度輕而且能達到所要求的強度，從而能降低在運轉中的能量消耗或者在使用相同能量的條件下大大地提高運轉速度，同時也有可能延長機件的使用壽命?；诣T鐵氣缸體改用鋁合金鑄造，必須滿足如下一些額外的要求：

（1）確保氣缸筒滑移表面耐磨不易變形。首先是氣缸筒/活塞/活塞環摩擦副的耐磨性和摩擦學問題?；钊突钊h由于作為摩擦副耐磨性和摩擦學特性不好而不能直接在鑄鋁合金氣缸筒上工作。解決的辦法是在鋁合金氣缸體中鑄入其他材料的氣缸套，或者在氣缸筒上涂敷其他材料。其次是氣缸筒之間區域的變形問題。該區域的應力是由熱應力和由于安裝力、氣缸的內壓力引起的機械應力疊加在一起形成的。在較高的最大爆發壓力下，首先是動載荷提高了，以致氣缸筒之間的區域出現明顯的變形和應力。為了改變這種局面，必須使氣缸筒之間的區域達到足夠的尺寸，還要采用合適的形狀，同時采取有效的冷卻措施。

（2）滿足傳遞力流的要求?，F代鋁合金具有足夠的強度可以用作發動機氣缸體材料，但成問題的是螺紋連接部位。螺紋孔中的螺紋會由于裝配而發生局部的塑性膨脹。裝配以后，全靠螺紋孔口上的最前面幾道螺紋承受作用力。由于有很高的靜載荷，可以在這個區域觀察到對這種鋁合金而言相當典型的局部塑化現象。如果在預裝配或者后來的維修過程中多次將螺栓連接、松開又重新裝上，那么情況就會變得很嚴峻。高的熱載荷與機械的交變載荷疊加在一起，會引起材料的疲勞，同樣可能導致螺栓連接的失效。另一種鋁合金氣缸體失效方式是，從螺紋孔出口的螺紋槽底部延伸出來的裂紋。由于鋼螺栓和鋁合金氣缸體之間彈性模量和熱膨脹系數的差異，在發動機運行過程中，主要依靠螺栓和螺紋孔的最后幾道共同的螺紋承擔著載荷。

二、鋁合金的發動機機體及鑄造工藝

汽車上最重要、最復雜的鑄件位于汽車的心臟——發動機上。為防止汽車有“心臟病”，發動機上的主要鑄件的質量尤為重要。缸體便是發動機上最大、最復雜的鑄件，其壁厚最薄處往往不到3mm，大多用高強度灰鑄鐵鑄造，也有蠕墨鑄鐵的。由于汽車輕量化的進展，采用鋁合金的也越多，有的汽車制造廠家甚至開始考慮用鎂合金鑄造缸體。生產缸體所用的鑄造方法因材質不同，因各廠家條件不同而有多種選擇，包括濕砂造型中的氣沖造型，靜壓造型、高壓多觸頭造型、無箱擠壓造型、震壓造型等，對于鑄鋁缸體，則采用低壓鑄造、消失模鑄造、擠壓鑄造，壓鑄以及半固態鑄造等，還有采用砂型鑄造的。在鋁合金氣缸體中，處理氣缸筒滑移表面的標準方案是采用一個用鑄鐵材料制成的氣缸套。這種氣缸套通常是鑄入到鋁合金氣缸體中去的。在加工以后的狀態下，其壁厚可以達到1.5或者2.0mm以下。所用缸套離心鑄造材料的彈性模量不比鋁合金高出許多。但這種方案材料的質量較大，還容易發生氣缸筒變形，會在鑄鐵和鋁之間形成間隙，造成較低的導熱性和較高的磨損。鑄鐵缸套可以有不同的方案：一是灰鑄鐵氣缸套外表面涂敷涂層以解決鋁和氣缸套之間金屬內部聯接的問題，從而避免形成間隙；二是氣缸套采用粗糙的、能阻止分離的外表面形狀并與壓鑄工藝相結合，提供了一種非常良好的機械鉚固組合體。

另一種解決方案是鑄入耐磨的鋁合金氣缸套。為此，目前存在兩種工藝方法：采用通過在纖維材料中滲人鋁熔液而制成的預成型件，從而導致隨地點而改變的材料特性，這種技術主要是與擠壓鑄造結合在一起使用的；采用激光或等離子體涂敷工藝，借助于激光或等離子體射束在鋁合金氣缸筒表面上涂敷一層僅幾十微米厚的耐磨涂層。這個涂層也算是一種缸套。不過，對有待涂敷的工件有很高的要求。對于2.0L的4缸鋁合金氣缸體來說，如果要求達到20MPa的缸內最大爆發壓力，那么采用鑄鐵缸套時，氣缸筒之間的區域很難小于10mm。如果在氣缸筒上直接涂敷涂層，例如在批量生產中采用激光或等離子體涂敷工藝，那么情況就會好一些。利用這些方法，氣缸筒之間區域的最小寬度縮小了l～2mm，借此贏得的空間可以用于采取冷卻措施，除了減輕質量以外，采用激光或等離子體涂敷工藝還能減少摩擦損失和提高耐磨性。

鋁合金較低的強度及其蠕變傾向以及螺紋孔與螺栓之間不同的熱膨脹，這些都十分有必要采用鑄鐵和輕型結構材料的混合結構，就是說，既非全鐵，又非全鋁。直列式鋁合金機體配用球墨鑄鐵主軸承下體結構，采用了貫通的拉桿螺栓，鑄入球墨鑄鐵鑲嵌件，并且在氣缸體和油底殼之間加入鋁質的機體中間框架；V形鋁合金機體中鑄入球墨鑄鐵鑲嵌件，并且采用貫通拉桿螺栓的結構。機體中間框架和底板結構都能夠為變速器提供支承，從而增強整個動力總成的剛度。各種結構形式都有一個共同的特點，就是采用鑄鐵的主軸承下體，利用鑄鐵承受高的缸內最大爆發壓力所產生的力流，而且主軸承具有與曲軸相近的熱膨脹系數。這除了有助于解決力流傳遞外，還解決了主軸承間隙擴大的問題。這種結構決不遜色于全部采用灰鑄鐵的發動機。通過改進曲軸箱形狀，能夠創造一種有利于降低固體聲的先決條件。目前，在發動機結構中常見的曲軸箱結構可以分為長裙和短裙兩種。長裙結構能夠用機體中間框架去增強無依無靠的曲軸箱裙部，機體中間框架可以帶、也可以不帶主軸承連接結構；或者利用橫向螺栓連接使曲軸箱裙部得到增強。這樣一來，就可以減少與聲學特性密切相關的主軸承蓋的振動。短裙結構曲軸箱幾乎都與機體中間框架或者底板組合在一起。有一種特殊的方案是將中間框架的功能整合到油底殼上體這個零件中去。這種設計剛性可以非常好，因為幾乎是封閉的。如果采用底板，那么主軸承和曲軸箱下體整合在一起，底板就成為剛性最好的解決方案。但是，此時往往為了控制主軸承的擴大而不得不采用一個費用高昂的鑄人件。所以，將一個中間框架/油底殼上體組合在一起往往是最佳解決方案。無論是底板結構還是機體中間框架結構，如果同時還用于支承變速器，則構成發動機/變速器組合結構的增強概念，都能夠相對于原型機的灰鑄鐵機體達到非常良好的結構傳遞特性。除了改善聲學特性以外，通過這種方式還達到了良好的整車振動特性。

此外，鋁合金和鎂合金的耐磨性較差，不能滿足氣缸筒表面的要求。而且，它們的蠕變強度有限，而這種蠕變強度是設計中必須加以考慮的。這些缺點可以通過改善結構加以補救，但這將使成本上升得更高。鋁合金和鎂合金相比，鎂的強度指標勝鋁一籌，密度也更小，所以在汽車上早就有所應用，例如桑塔納轎車的變速器殼體一直采用鎂合金壓鑄。該公司最近還是成功地將一臺升功率達到67kW/L的5氣門、1.8L渦輪增壓汽油機的灰鑄鐵氣缸體改成了鎂-鋁混合材料氣缸體，使發動機整機質量從145kg 降為122kg。選擇鋁合金作為機體材料是目前發動機輕量化的有效途徑，如圖所示。

鋁合金機體的鑄造工藝從原理上可以分成多次使用的鑄型和一次使用的鑄型。砂芯的制造方法也有所不同。此外，壓鑄對于水套的長度有著間接的影響。由于氣缸直徑、拉桿螺栓的位置、密封法蘭最小寬度以及必需的通常為0.5°的起模斜度等因素，實際制成的壓鑄機體的水套通常至多只能覆蓋活塞行程的70%。這會降低通過活塞環的熱流量，提高機油的熱負荷。在機體結構方面，壓鑄有一些局限性。不過這些均可通過技術手段加以控制。機體是否采用壓鑄的工藝，首先還是取決于生產批量。對于高負荷發動機來說，選擇砂型鑄造更能通過合適的造型工藝、合金優化和熱處理來生產可靠、耐久的發動機機體。從零件成本看，充分利用砂型鑄造在成型方面較大的自由度，還可以將各種功能整合到氣缸體中去，在總體上減輕質量，提高經濟效益。

三、鑄造鋁合金缸蓋及工藝技術

缸蓋也是汽車上既復雜又關鍵的鑄件，發動機的燃燒室、進氣口、排氣口都位于缸蓋上。缸蓋的材質可以是高強度灰鑄或蠕墨鑄鐵，但應用最廣的還是鋁合金缸蓋，而鎂合金缸蓋也開始使用。缸蓋的鑄造方法較多，諸如：砂型鑄造、金屬型重力鑄造、低壓鑄造、消失模鑄造、壓鑄和新興的半固態鑄造等。以金屬型重力鑄造鋁缸蓋為例。缸蓋的外形皆由金屬型形成，可采用計算機自動控制金屬型的型溫。部分內腔由砂芯形成，砂芯的制造工藝與前述缸體的制芯過程基本相同，主要是芯砂粘結劑和砂芯涂料不同。在鋁鑄造行業中，汽車發動機鋁合金汽缸蓋是一種結構復雜、壁厚不均勻的鑄件，鑄件壁厚一般為3.0～4.5mm，尺寸精度及力學性能要求高，而且不同類型的發動機缸蓋結構、形狀也千差萬別，因此，鋁缸蓋的鑄造工藝難度大，成品率業內較好水平也不過在85%左右。目前，常用的鑄造方法有：金屬型重力鑄造法；金屬型低壓鑄造法；砂型鑄造法；消失模鑄造法等。目前462Q、465Q鋁缸蓋常用金屬型重力鑄造，其凸輪軸、搖臂軸與缸體為整體結構，凸輪軸、搖臂軸處與其它處壁厚相差較大，在生產中采用的鋁硅合金牌號為ZL101A。在制芯、熔化、澆注、開型、清理及粗加工、熱處理等整個工藝過程中，每個環節對鑄件的質量都有很大的影響，控制不好將產生氧化夾渣、氣孔氣泡、縮松、裂紋、冷隔、針孔等鑄件缺陷。鋁合金熔化可采用反射爐，但氧化、吸氣嚴重，燒損失、溫度難控、浪費能源、污染環境。采用感應電爐時，鋁水在爐內的翻騰有利于成份均勻化，但感應爐磁場對測溫儀有干擾，感應爐的維修較難，值得廣為采用的是連續高效燃氣爐，可實現爐料預熱、連續熔化、成份均勻、溫控精確、節約能源、適于大量生產。應注意爐料要潔凈，除用一般的鋁液清煉，變質處理方法外，可采用鋁合金熔劑噴吹綜合處理裝置，使精煉、變質、品粒細化一步完成。缸蓋的傳統澆注方式為底注式，便于鋁液的平衡充型?，F在多采用頂注式，與鑄型的冷卻系統相配合。更便于順序凝固的形成，從而顯著提高鑄件的致密性。澆注過程中鑄型的排氣要通暢，多采用自動澆注包括單機式，雙機組式以及多機組直列式。而多工位轉盤式澆注機更適合大批量生產，但投資大。多機組旋轉式澆注機則投資較少。鋁液鑄型的維護很重要，可定期用噴射小顆粒干冰的方法來清除鑄型的積垢，此法簡便易行，不污染環境。澆注后的鋁缸蓋鑄件在清理線上鋸掉澆冒口、銑平面，經滲漏試驗后，往往經粗加工和銑加工定位點之后才能裝車使用。

缸蓋的低壓鑄造工藝方案一般為一根升液管，多個澆口即多權分流的形式。鋁合金缸蓋的材料一般選擇AI-Si-Cu系合金如ZL105和107。如果對延伸率和耐腐蝕性有要求，也可以使用ZL101和ZL104。為獲得高質量的金屬液，標準操作應使用Ar氣旋轉吹氣精煉并加入Sr變質及AJ-Ti-B細化晶粒。澆注前模具預熱至200℃左右噴涂料。缸蓋的形狀復雜，應特別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。精度要求高如燃燒室表面應采用顆粒細小的涂料，厚度為0.08mm左右；而對于澆口、冒口、內澆道等需要緩慢凝固的位置可適當厚一些，一般為0.5～1mm左右。鋁液溫度對缸蓋內部缺陷、外觀質量有很大的影響。澆注溫度在680℃～730℃的范圍內為宜，實際操作中溫度偏差應控制在20℃以內。

近年來，凝固數值模擬技術的發展為缸蓋的低壓鑄造工藝優化提供了很好的參考依據，它可充分把握不同條件下的凝固測試結果，強化鑄造工藝過程控制，確保鑄件質量。從充型到澆口凝固的時間稱為加壓時間，受溫度的影響很大。在穩定生產條件下，加壓時間雖然因缸蓋的重量不同而有所變化，但一般控制在2～8min。若從提高生產效率的角度考慮，可采取1模2件、2段加壓等方法縮短時間閉。同加壓時間一樣，因溫度的變化而變化。時間短時鑄件易變形；時間過長則鑄件易卡在模具內取不出來。一般控制在加壓時間的1/3左右。為提高鑄件冷卻速度，起模時可先開脫模阻力小的側模，冷卻一定時間后再開上模。加壓壓力直接影響到金屬液的流動充填性能和補縮效果，加壓曲線是低壓鑄造工藝控制中的重要一環。冒口的補縮壓力一般在0.005～0.01MPa左右。雖然壓力大補縮效果好，但如果壓力超過0.01MPa，會導致涂料剝離、鋁液堵塞模具排氣孔及滲入到砂芯中。澆注過程中及時排出砂芯燃燒產生的氣體是非常必要的，但因缸蓋所用砂芯結構復雜、數最多，在模具中設置大量的排氣孔很困難。此時，將冒口補縮壓力提高到上限附近，可有效防止氣體卷入到鑄件里面。柑禍內的液面高度變化影響到加壓曲線的重復再現性，因此柑禍內的壓力應能自動補償。另外，若升液管下端與柑禍底部間的間隔過短加壓時溶液易產生紊流流動。因此，在不影響溶液使用的情況下，升液管下端與柑鍋底部間的間隔在200mm左右為宜。鋁合金缸蓋是適合于低壓鑄造的汽車零件之一，因此充分發揮其工藝出品率搞、內部質量好的優點，擴大低壓鑄造技術在鋁合金缸蓋的生產應用，以適應我國轎車工藝快速發展。

目前，由于汽車市場具有源源不斷的需求，汽車生產一直是最具活力的朝陽產業，汽車后市場的形成也成為最具潛力的新興產業，隨著我國經濟的發展和人民生活水平的提高，對交通工具的需求越來越多，因此，鋁合金材料在我國交通運輸業上的發展空間還很大。同時由于發動機零部件采用了鑄鋁合金件，減輕了質量，從而減少發動機的振動，降低了噪聲，使發動機的油耗下降，這也符合汽車的發展趨勢。

參考文獻：

[1] 張利軍.消除薄壁鋁合金加工變形工藝技術研究[J].工具技術，2013，47（5）.

[2] 湯善榮，吳成龍.自動變速器后蓋殼體加工變形分析[J].合肥工業大學學報：自然科學版，2012，12.

[3] 楊德喜，楊曉偏.鋁合金薄壁零件的加工工藝及變形控制[J].機械制造，2012（1），9.

[4]訾炳濤，李天生，徐慧.鎂合金成形技術的研究和發展現狀[J].稀有金屬，2014，28（1）：229-232.