铝合金发动机缸盖制造技术探讨

冯军营 渠娜 高小波

(1.保定长城内燃机制造有限公司,河北保定 072650;2.首钢矿业公司,河北唐山 064404)

铝合金发动机缸盖制造技术探讨

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(1.保定长城内燃机制造有限公司,河北保定 072650;2.首钢矿业公司,河北唐山 064404)

铝合金发动机缸盖的制造包括了压力铸造、金属型铸造、冷芯盒砂芯组芯造型等几种工艺。本文对这几种制造工艺进行了简要分析,并阐述了在铝合金发动机缸盖制造中常见的低压铸造工艺内容,总结并展望了未来铝合金发动机缸盖制造前景。

铝合金 发动机缸盖 制造技术

在汽车制造领域,轻量化已成为其主旋律,通过铝合金材质制造汽车零件已成为一个主要轻量化的途径。作为汽车发动机缸盖,采用铝合金材质后,同钢铁材质相比重量减少一半以上。但铝合金发动机缸盖的技术要求较高,数据精准度要求严格,其成品率较低,本文对铝合金发动机缸盖的几种制造工艺都进行了简要分析,特别对缸盖制造使用的低压铸造进行了工艺阐述。

1 铝合金发动机缸盖制造工艺

1.1 金属型铸造

在铝合金发动机缸盖的制造工艺中,金属型铸造属于传统铸造方法,为重力铸造的一类,使用较普遍。这种制造工艺虽然有较好的力学性和冷却性,但是成本较高,且生产过程中易产生裂纹、气孔等现象。采用金属型铸造的缸盖质量同砂型铸造相比较,质量明显高出很多,但金属型铸造不适用于小批量零件生产。

1.2 压力铸造

压力铸造,即为压铸,是目前使用较多的一种制造工艺,较多应用于铝合金发动机的缸体铸造中,在缸盖铸造中也有涉及。压铸是通过高压作用,将液态或半液态金属迅速成型凝固。在高压力条件下,这种方法能够制造出数据精密程度高的铝合金零件,特别是对于轿车所使用的铝合金发动机缸体和缸盖,应用较广泛。使用压铸这种制造工艺,获得的产品有较高的成品率,生产力也比较高,且不需要进行热处理,缺点是在金属液体的高速流转下,浇注时产品较易产生气孔,故对流速的限制较多。

1.3 低压铸造

该铸造工艺介于重力铸造和压力铸造之间,低压铸工艺对铝材料的利用率较高,产品缺陷较少,所需压力不高,产品较为完美。但是采用低压铸造的生产率较低,生产时间较长,总体产品的成品率低,虽然在铝合金发动机缸盖的制造中属于传统工艺,但使用该铸造方法的企业并不多。

1.4 消失模铸造

使用该工艺,需要到与所铸造的零件相同的泡沫塑料模,这样金属液体注入后,泡沫塑料模就会气化消失。消失模铸造的铸造工艺,同传统的铸造工艺相比,大大缩短了生产时间,铸件的加工后剩余量很少。但与此相对的是,消失模工艺的前期投入较高,生产线投入资金高,工艺较复杂,不是每个企业都适宜引入的。消失模铸造工艺,适用于大批量、高复杂的铝合金零件生产,大量的生产需求和复杂的零件设计,对于消失模工艺而言,有着巨大的经济效益收入。

1.5 冷芯盒砂芯组芯造型

冷芯盒砂芯组芯造型工艺能够对生产的压力等其他条件进行控制,其铸造方法同低压铸造类似。冷芯盒砂芯组芯造型使用锆砂,动力源由电磁泵提供,通过保护性气体使金属液体同大气隔离,生产过程中避免了气孔的产生,防止了氧化的可能。冷芯盒砂芯组芯造型是几种铸造工艺中产品质量最好的方法,但因为使用锆砂的原因,高导热性限制了该方法铸件的应用范围。冷芯盒砂芯组芯造型最初在一级方程式赛车的铝合金发动机缸盖制造中使用,是未来主要的铸造工艺发展方向。

2 铝合金发动机缸盖的低压铸造工艺

在铝合金发动机缸盖的铸造工艺中,使用低压铸造方法的较普遍,进行缸盖的低压铸造时,其工艺方案一般为一根升液管和多个浇口组成,即采用多杈分流的形式进行。在铝合金缸盖的浇注中,铝合金一般为铝、硅、铜的合金,如常见的ZL107,同时为了提升缸盖的耐腐蚀性,也会使用ZL101作为合金原料。

合金的熔化需要通过氩气旋转吹气,加入锶变质等其他物质;浇筑时先对模具进行清理,预热至200℃进行涂料,涂料时要根据缸盖的形状决定薄厚,如浇口附近需要涂厚一些;注意过滤网的放置,避免氧化物杂质进入;浇注时的温度要控制在710℃左右,将偏差控制在20℃内,以减小铝液温度造成的缸盖内部缺陷;冷却时使用水冷或气冷,对于一些浇口距离过近的位置要强制冷却。一般以间接冷却为主,在一些较厚的位置可以使用直接冷却,冷却强度可通过时间和温度两个因素控制;从缸盖的充型到浇口凝固时间为加压时间,一般控制在5分钟左右,若要提升生产效率,可以采用一模两件等方法进行。同样的,起模时间也受到温度的影响,若时间过短会造成缸盖形状变形,时间太长则取不出来,一般的起模时间是在加压时间的三分之一处时,起模时先脱侧模,再起上模;低压铸造时,要注意加压曲线,如冒口的补缩压力在0.007MPa左右。同样的,坩埚内的液面高度也会影响到加压曲线的变化,升液管同坩埚底部的间隔高度同样有着影响,一般维持在200mm左右。

3 总结与展望

对于铝合金发动机缸盖的铸造工艺而言,不只是为制造出高质量的汽车零件,还需要根据实际情况,按照工厂的生产条件和缸盖机构需求,选择最适合的制造方法。现在制造铝合金缸盖多使用金属型铸造和低压铸造这两种方法,对于结构简单一些的则以高压铸造为主,再复杂一些的多以消失模铸造和冷芯盒砂芯组芯造型为主。就现阶段而言,拥有较为良好的质量、生产效率和收益的方法仍属压铸和低压铸造,该方法是目前的主流铝合金缸盖制造方法。在未来,铝合金发动机缸盖的制造工艺将会向着冷芯盒砂芯组芯造型方向发展,因为冷芯盒砂芯组芯造型所使用的设备成本会降低,铸造技术和工艺有了新的发展。同样的,消失模工艺同冷芯盒砂芯组芯造型一样,也将是未来铝合金发动机缸盖的主要铸造工艺。

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