发动机缸体缸盖的消失模铸造技术

1、磨损后期,较大的切削力和切削热使刀具切削性能急剧下降, 后 刀面出现沟槽磨损, 切削刃产生崩碎现象, 直至失去切削能力 。参考文献1Valentin N . Moiseyev , Titanium Alloys Russian Aircraft and AerospaceApplications M . Taylor &Francis Group , 2006. 2C . H . Che-Haron , A . Jawaid . The Effect of Machining on Surface Integrity ofTitanium J . J . Mater . Process

2、 . Tech , 2005, 166(2 :188-192. 3王树鹏, 刘献礼, 胡景姝, 等 . 复合材料和钛合金的切削加工 J . 航空制造技术, 2008, (23 :56-59. 4李启堂, 韩党社 . 钛合金薄壁轴套类工件的切削加工 J . 制造技术与机床, 2004(3 :46-48.5何秀梅, 洪宝莹 . 钛合金的切削加工工艺分析 J . 航空精密制造技术,2005, 41(6 :59-60.6齐德新, 赵树国, 马光峰 . 切削 BT20钛合金材料中刀具磨损研究 J .机械制造, 2003, 41(457 :42.7石磊 . 钛合金切削加工中刀具与工件性能匹配的研究 D .

3、 济南:山东大学出版社, 2007.8胡创国 . 薄壁件精密切削变形控制与误差补偿技术研究 D . 西北工业大学出版社, 2006. 9庞继有, 胡家农, 于在梅, 等 . 超精密复合加工机床的总体设计 J . 航空制造技术, 2009(25 :97-99. 10A . K . M . Nurul Amin , Ahmad F . Ismail , M . K . Nor Khairusshima . Effectivenessof Uncoated WC-Co and PCD Inserts in End Milling of Titanium Alloy-Ti-6Al-4VJ . J .

4、Mater . Process . Tech , 2007, 192-193:147-158. 发动机缸体缸盖的消失模铸造技术 *肖小峰 1, 2薛 琼 3肖科峰 4胡晓兰 4(1武汉纺织大学 机电学院 , 武汉 430073 (2华中科技大学 材料成形与模具技术国家重点实验室 , 武汉 430074(3武汉理工大学 理学院 , 武汉 430070 (4武汉科技大学 城市学院经济与管理系 , 武汉 430000Casing technology for lost foam casting of cylinder head of engine cylinder blockXIAO Xiao-fe

5、ng 1, 2, XUE Qiong 3, XIAO Ke-feng 4, HU Xiao-lan 4(1School of Electromechanical , Wuhan Textile University , Wuhan 430073, China (2State Key Laboratory of Material Forming and Mould Technology , Huazhong Universityof Science and Technology , Wuhan 430074, China (3College of Science ,Wuhan Universit

6、y of Science and Technology , Wuhan 430070, China (4Department of Economy and Management , City College of Wuhan University of Scienceand Technology ,Wuhan 430000, China 文章编号 :1001-3997(2012 01-0228-03【 摘 要 】 消失模铸造技术是一种利用泡沫模样代替传统复杂造型过程实现零件生产的铸造工艺 。 近二十年来,消失模铸造广泛应用于具有复杂结构零件的铸造, 通常情况, 铸件越复杂越能体现该 工艺的优越

7、性 。 20世纪 90年代, 美国成功地将消失模铸造技术应用于发动机缸体缸盖的工业化生产,使得零件设计更为柔性 、 集成度高, 减轻铸件重量, 提高燃油效率, 降低成本; 目前我国企业尝试用消失 模铸造技术小批量生产缸体缸盖, 初步获得成功, 开始走向市场, 但由于受到增碳 、 气孔等铸造缺陷的 困扰, 还未能实现低废品率的大批量工业化生产 。关键词:缸体 &缸盖; 消失模铸造; 计算机辅助设计与制造【 Abstract 】 Lost foam casting is a type of metal casting process that uses expendable foam pa

8、tterns to produce castings instead of traditional molding.In recent twenty years ,LFC has been widely applied in castings with complex structure.Normally ,the more complexity of casting is , the more advantages of LFC could be exhibited.In ninety of last century , LFC has been applied to a batch pro

9、duction of Engine Cylinder Block &Head successfully in America ,which brings more flexibility and integration in part design and manufacture , lightens weight as well as improves the fuel efficiency and minimizes cost ; Several enterprises in china set about a small batch production of Cylinder

10、Block &Head by LFC and achieve preliminary success.But it is still a long way to run because of technical immaturity and casting defects, such as porosi -ty, carbon-increasing etc.Key words :Cylinder Block &Head ; LFC ; CAD/CAM/CAE中图分类号:TH16文献标识码:A*来稿日期:2011-03-09*基金项目:国家自然科学基金 (50805109 , 中

11、央高校基本科研业务费专项资金 (2011-1a-0231消失模铸造消失模铸造技术 (Lost Foam Casting 简称 LFC 是一项精确成形的铸造新技术 1。 1958年, 国外科研人员最早用泡沫板材加 工的模样, 用含有粘结剂的型砂作充填砂制造金属制件并取得专Machinery Design &Manufacture机械设计与制造第 1期 2012年 1月228利 2, 不过直到 20世纪 80年代专利期满后, 消失模技术才获得了 大规模的应用 。 在 20世纪 90年代, 有美国通用汽车公司率先应 用于发动机的缸体缸盖 3, 并实现大批量工业化生产获得成功 。1.1LFC

12、法的工艺过程消失模铸造是将与铸件尺寸形状相似的泡沫模型粘结组合 成模型簇, 刷涂耐火涂料并烘干后, 埋在干砂中振动造型, 在常压 或负压下浇注, 使模型气化, 液体金属占据模型位置, 凝固冷却后 形成铸件的新型铸造方法 4。 传统的粘土砂铸造与消失模铸造主要工艺流程 5的比较,如图 1所示 。 混制型砂 混制 芯砂造 下型造 上型取出 铸件下芯制芯合箱浇注落砂清理旧砂除尘冷却(a 粘土砂铸造取出 铸件干砂 充填烘干浇注预发浸涂料落砂清理旧砂除尘冷却 组模 、 发泡成型 (b 消失模铸造 图 1两种铸造工艺流程的比较可以看出,消失模铸造每生产一个铸件就要消耗一个泡沫 模样, 所以增加了预发泡和发

13、泡成型的工序, 但减少了型 (芯 砂 制备 、 制芯 、 造型 、 下芯等许多烦琐工序 。1.2LFC 法的工艺主要特点(1 LFC 是一种近无余量 、 精确成形的工艺 。 其特点是, 采用 聚苯乙烯或共聚物的泡沫塑料模压成型, 组合成模, 泡沫模样可 实现无起模斜度, 既无分型面又无型芯, 减少由于型芯块组合而 造成的尺寸误差 。 铸件尺寸精度和表面粗糙度可达 (CT5CT7 、 Ra =(6.312.5 m , 介于砂型铸造和熔模铸造之间 。 由于充填砂采 用干砂, 根除了由水分 、 粘结剂合附加物带来的缺陷, 铸件的废品 率下降, 铸件质量明显提高 6。(2 容易实现清洁生产 7。 低温

14、下聚苯乙烯 (EPS 对环境无 害, 浇注时 EPS 有机物排放量仅占浇注铁液质量的 0.3%, 而自硬 砂为 5%。 同时产生有机排放物的时间短, 地点集中, 易于搜集, 可 以采用负压抽吸式燃烧净化器处理, 燃烧产物净化后对环境无公 害,旧砂回用率在 95%以上 。 与传统铸造方法相比, LFC 法的噪 声 、 一氧化碳气体和硅石粉尘危害明显减少, 工人劳动强度大大 降低, 劳动环境显著改善, 容易实现机械化 、 自动化和清洁生产 。(3 为铸件结构设计提供了充分的自由度 8。 原先要由多个 零件加工组装的结构,采用 LFC 工艺后可以通过分片制模然后 粘合的办法整体铸出 (如:复杂的六缸

15、缸体 、 盖模样可以由若干个 模片组装成一个整体, 如图 2所示 。 而且型芯可以省去, 孔 、 洞可 以直接铸出, 这就大大节约了加工装配的费用, 同时也可以减少 加工装备的投资 。 一般说来, 与传统铸造工艺相比, LFC 技术设备 投资可减少 (3050 %, 铸件的成本可下降 (1030 %(成本下降 的幅度取决于零件批量 、复杂程度以及加工装配时间的节省等 。 (a 整体模样 (b 分片模样图 2铝合金消失模缸体泡沫模样(4 金属液的流动前沿式热解的消失模产物 (气体和液体 , 它会与金属液发生反应并影响到金属液的充填, 如果金属充型过 程中热解物不能顺利排除, 就容易引起气孔 、

16、皱皮 、 增炭等缺陷 9。这就要求工艺师掌握消失模铸造成形原理,正确设计浇注系统, 制定合理的工艺方案 。(5 模具制造成本较高, 没有一定的生产批量, 很难获得好 的经济效益 。2缸体缸盖的消失模应用消失模铸造符合当今铸造技术发展的总趋势,有着广阔的 发展前景, 其优越性不容置疑 。 特别适合于离合器壳 、 变速箱 、 发 动机缸体和缸盖这类产品的批量生产, 下面就介绍国内外相关应 用情况 。2.1美国1981年的时候, 国外某汽车公司 (General Motors Powertrain 简 称 GMPT 利用消失模技术第一次试制了 4.3L 、 V6型铝合金发动 机缸盖, 如图 3(a

17、所示 。 由于各方面工艺还未成熟, 没有取得成功; 1985年 GMPT 又试制 2L 、 L4型铝合金发动机缸盖, 如图 3(b 所 示, 一举获得成功 10; 2001年 GMPT 所属的 Saginaw 铸造厂消失模 生产线正式投产, 标志着美国消失模技术走向成熟 11。 Saginaw 铸 造厂是目前世界上最先进 、 规模最大的消失模生产工厂 。 共有五条 生产线, 能够日产 198.6kW (270马力 直列式运动跑车六缸铝合金 缸体和缸盖各 2100件, 试压后总废品率不大于 12%, 其中内废小 于 10%。该厂生产的 Votec 4200六缸缸体和缸盖, 如图 4所示 。 是目

18、 前最复杂 、 最有代表性的 LFC 产品 。 充分体现了 LFC 技术的优越 性 。 这种型号的缸体和缸盖是该公司的设计部门充分考虑了 LFC 法的特点而设计的 。缸体质量 40kg , 缸盖质量 22kg , 产品设计中集成了曲轴箱, 油 /空气分离器, 如图 5(a 所示 。 通气系统, 如图 5(b 所示 。 复杂弯 曲 、 和回油管路全部铸出, 如图 6所示 。 大大减小了钻孔加工和螺 栓装配工作量, 减轻了整机的质量噪音 、 震动和污染, 提高了燃油 效率, 降低成本 12。 另外, Saginaw 铸造厂工艺过程完善, 完全实现了 清洁生产, 5台预发泡机 、 29台成行机每天生

19、产高质量的聚苯乙烯 缸体和缸盖模样 。 缸体分 4片, 粘合成一个整体, 浇注时水平放置, 一箱一件; 缸盖分 5片粘合成一, 减少了个整体, 浇注时水平放置, 一箱两件 。 采用高性能的云母基涂料, 由机械手自动浸涂, 干燥后 由机械手放入砂箱, 雨淋式加砂, 分三阶段水平振动紧实 。 铸件在 清理 、 粗加工后, 100%经渗透试验, T6热处理, 然后送到加工工厂 进行精加工 13。第 1期 肖小峰等:发动机缸体缸盖的消失模铸造技术 229(a 4.3L 、 V6型 (b 2L 、 L4型图 3铝合金发动机缸盖图 4Votec 4200Iline 6Block &Head油 /空

20、分离器缸盖通气孔(a 油 /空分离器 (b 缸盖通气系统 图 5缸体 、 盖内部复杂结构缸体油路缸盖油路图 6发动机高压油路系统经过十余年的研究和实践, 相关计算机软件快速发展, 使消 失模的工艺设计建立在更科学的基础上 。 在工艺和模具设计制造 领域, 建立了先进实用的 CAD/CAM/CAE系统, 可以准确 、 高效地 生产像六缸缸体 、 缸盖之类复杂高质量的模具; 通过应用软件 (如 Flow 3D 模拟金属液充型 、 凝固过程的流动场和温度场 14, 可预测 铸件产生缺陷的部位; 并着手进行泡沫珠粒射料过程的流场模拟 和模样在模具中加热 、 冷却过程中温度场的变化规律模拟 。 成功 地

21、实现曲轴 、 变速箱 、 差动器 、 离合器 、 发动机缸体和缸盖的工业 化生产, 如图 7所示 。图 7典型 LFC 产品2.2国内20世纪 90年代中后期 LFC 法在我国获得较广泛的生产应 用和快速发展, 在不到十年的时间里, 我国消失模铸造技术已发 展到了一个新的阶段, 在产品质量逐步提高地同时, 铸件也由简 单的耐磨零件扩展到变速箱体等复杂铸件 15。 2003年至今我国某 企业生产的 LFC 缸体 、 缸盖, 如图 8所示 。 采用消失模技术, 主攻 缸盖 、 缸体, 初步获得成功, 开始走向市场, 但由于受到增碳 、 气孔 等铸造缺陷的困扰, 还未能实现低废品率大批量工业化生产 16。(a 铸铁缸体 (b 铝合金缸盖图 8国产 LFC 缸体 、 盖3结论发动机缸体 、 盖的制造水平是衡量国家的制造业水平