發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋的消失模鑄造技術(shù)

1、磨損后期,較大的切削力和切削熱使刀具切削性能急劇下降, 后 刀面出現(xiàn)溝槽磨損, 切削刃產(chǎn)生崩碎現(xiàn)象, 直至失去切削能力 。參考文獻(xiàn)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王樹鵬, 劉獻(xiàn)禮, 胡景姝, 等 . 復(fù)合材料和鈦合金的切削加工 J . 航空制造技術(shù), 2008, (23 :56-59. 4李啟堂, 韓黨社 . 鈦合金薄壁軸套類工件的切削加工 J . 制造技術(shù)與機(jī)床, 2004(3 :46-48.5何秀梅, 洪寶瑩 . 鈦合金的切削加工工藝分析 J . 航空精密制造技術(shù),2005, 41(6 :59-60.6齊德新, 趙樹國(guó), 馬光峰 . 切削 BT20鈦合金材料中刀具磨損研究 J .機(jī)械制造, 2003, 41(457 :42.7石磊 . 鈦合金切削加工中刀具與工件性能匹配的研究 D .

3、 濟(jì)南:山東大學(xué)出版社, 2007.8胡創(chuàng)國(guó) . 薄壁件精密切削變形控制與誤差補(bǔ)償技術(shù)研究 D . 西北工業(yè)大學(xué)出版社, 2006. 9龐繼有, 胡家農(nóng), 于在梅, 等 . 超精密復(fù)合加工機(jī)床的總體設(shè)計(jì) J . 航空制造技術(shù), 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. 發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋的消失模鑄造技術(shù) *肖小峰 1, 2薛 瓊 3肖科峰 4胡曉蘭 4(1武漢紡織大學(xué) 機(jī)電學(xué)院 , 武漢 430073 (2華中科技大學(xué) 材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 , 武漢 430074(3武漢理工大學(xué) 理學(xué)院 , 武漢 430070 (4武漢科技大學(xué) 城市學(xué)院經(jīng)濟(jì)與管理系 , 武漢 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 文章編號(hào) :1001-3997(2012 01-0228-03【 摘 要 】 消失模鑄造技術(shù)是一種利用泡沫模樣代替?zhèn)鹘y(tǒng)復(fù)雜造型過程實(shí)現(xiàn)零件生產(chǎn)的鑄造工藝 。 近二十年來,消失模鑄造廣泛應(yīng)用于具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的鑄造, 通常情況, 鑄件越復(fù)雜越能體現(xiàn)該 工藝的優(yōu)越

7、性 。 20世紀(jì) 90年代, 美國(guó)成功地將消失模鑄造技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋的工業(yè)化生產(chǎn),使得零件設(shè)計(jì)更為柔性 、 集成度高, 減輕鑄件重量, 提高燃油效率, 降低成本; 目前我國(guó)企業(yè)嘗試用消失 模鑄造技術(shù)小批量生產(chǎn)缸體缸蓋, 初步獲得成功, 開始走向市場(chǎng), 但由于受到增碳 、 氣孔等鑄造缺陷的 困擾, 還未能實(shí)現(xiàn)低廢品率的大批量工業(yè)化生產(chǎn) 。關(guān)鍵詞:缸體 &缸蓋; 消失模鑄造; 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造【 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中圖分類號(hào):TH16文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A*來稿日期:2011-03-09*基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金 (50805109 , 中

11、央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金 (2011-1a-0231消失模鑄造消失模鑄造技術(shù) (Lost Foam Casting 簡(jiǎn)稱 LFC 是一項(xiàng)精確成形的鑄造新技術(shù) 1。 1958年, 國(guó)外科研人員最早用泡沫板材加 工的模樣, 用含有粘結(jié)劑的型砂作充填砂制造金屬制件并取得專Machinery Design &Manufacture機(jī)械設(shè)計(jì)與制造第 1期 2012年 1月228利 2, 不過直到 20世紀(jì) 80年代專利期滿后, 消失模技術(shù)才獲得了 大規(guī)模的應(yīng)用 。 在 20世紀(jì) 90年代, 有美國(guó)通用汽車公司率先應(yīng) 用于發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體缸蓋 3, 并實(shí)現(xiàn)大批量工業(yè)化生產(chǎn)獲得成功 。1.1LFC

12、法的工藝過程消失模鑄造是將與鑄件尺寸形狀相似的泡沫模型粘結(jié)組合 成模型簇, 刷涂耐火涂料并烘干后, 埋在干砂中振動(dòng)造型, 在常壓 或負(fù)壓下澆注, 使模型氣化, 液體金屬占據(jù)模型位置, 凝固冷卻后 形成鑄件的新型鑄造方法 4。 傳統(tǒng)的粘土砂鑄造與消失模鑄造主要工藝流程 5的比較,如圖 1所示 。 混制型砂 混制 芯砂造 下型造 上型取出 鑄件下芯制芯合箱澆注落砂清理舊砂除塵冷卻(a 粘土砂鑄造取出 鑄件干砂 充填烘干澆注預(yù)發(fā)浸涂料落砂清理舊砂除塵冷卻 組模 、 發(fā)泡成型 (b 消失模鑄造 圖 1兩種鑄造工藝流程的比較可以看出,消失模鑄造每生產(chǎn)一個(gè)鑄件就要消耗一個(gè)泡沫 模樣, 所以增加了預(yù)發(fā)泡和發(fā)

13、泡成型的工序, 但減少了型 (芯 砂 制備 、 制芯 、 造型 、 下芯等許多煩瑣工序 。1.2LFC 法的工藝主要特點(diǎn)(1 LFC 是一種近無余量 、 精確成形的工藝 。 其特點(diǎn)是, 采用 聚苯乙烯或共聚物的泡沫塑料模壓成型, 組合成模, 泡沫模樣可 實(shí)現(xiàn)無起模斜度, 既無分型面又無型芯, 減少由于型芯塊組合而 造成的尺寸誤差 。 鑄件尺寸精度和表面粗糙度可達(dá) (CT5CT7 、 Ra =(6.312.5 m , 介于砂型鑄造和熔模鑄造之間 。 由于充填砂采 用干砂, 根除了由水分 、 粘結(jié)劑合附加物帶來的缺陷, 鑄件的廢品 率下降, 鑄件質(zhì)量明顯提高 6。(2 容易實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn) 7。 低溫

14、下聚苯乙烯 (EPS 對(duì)環(huán)境無 害, 澆注時(shí) EPS 有機(jī)物排放量?jī)H占澆注鐵液質(zhì)量的 0.3%, 而自硬 砂為 5%。 同時(shí)產(chǎn)生有機(jī)排放物的時(shí)間短, 地點(diǎn)集中, 易于搜集, 可 以采用負(fù)壓抽吸式燃燒凈化器處理, 燃燒產(chǎn)物凈化后對(duì)環(huán)境無公 害,舊砂回用率在 95%以上 。 與傳統(tǒng)鑄造方法相比, LFC 法的噪 聲 、 一氧化碳?xì)怏w和硅石粉塵危害明顯減少, 工人勞動(dòng)強(qiáng)度大大 降低, 勞動(dòng)環(huán)境顯著改善, 容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化 、 自動(dòng)化和清潔生產(chǎn) 。(3 為鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了充分的自由度 8。 原先要由多個(gè) 零件加工組裝的結(jié)構(gòu),采用 LFC 工藝后可以通過分片制模然后 粘合的辦法整體鑄出 (如:復(fù)雜的六缸

15、缸體 、 蓋模樣可以由若干個(gè) 模片組裝成一個(gè)整體, 如圖 2所示 。 而且型芯可以省去, 孔 、 洞可 以直接鑄出, 這就大大節(jié)約了加工裝配的費(fèi)用, 同時(shí)也可以減少 加工裝備的投資 。 一般說來, 與傳統(tǒng)鑄造工藝相比, LFC 技術(shù)設(shè)備 投資可減少 (3050 %, 鑄件的成本可下降 (1030 %(成本下降 的幅度取決于零件批量 、復(fù)雜程度以及加工裝配時(shí)間的節(jié)省等 。 (a 整體模樣 (b 分片模樣圖 2鋁合金消失模缸體泡沫模樣(4 金屬液的流動(dòng)前沿式熱解的消失模產(chǎn)物 (氣體和液體 , 它會(huì)與金屬液發(fā)生反應(yīng)并影響到金屬液的充填, 如果金屬充型過 程中熱解物不能順利排除, 就容易引起氣孔 、

16、皺皮 、 增炭等缺陷 9。這就要求工藝師掌握消失模鑄造成形原理,正確設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng), 制定合理的工藝方案 。(5 模具制造成本較高, 沒有一定的生產(chǎn)批量, 很難獲得好 的經(jīng)濟(jì)效益 。2缸體缸蓋的消失模應(yīng)用消失模鑄造符合當(dāng)今鑄造技術(shù)發(fā)展的總趨勢(shì),有著廣闊的 發(fā)展前景, 其優(yōu)越性不容置疑 。 特別適合于離合器殼 、 變速箱 、 發(fā) 動(dòng)機(jī)缸體和缸蓋這類產(chǎn)品的批量生產(chǎn), 下面就介紹國(guó)內(nèi)外相關(guān)應(yīng) 用情況 。2.1美國(guó)1981年的時(shí)候, 國(guó)外某汽車公司 (General Motors Powertrain 簡(jiǎn) 稱 GMPT 利用消失模技術(shù)第一次試制了 4.3L 、 V6型鋁合金發(fā)動(dòng) 機(jī)缸蓋, 如圖 3(a

17、所示 。 由于各方面工藝還未成熟, 沒有取得成功; 1985年 GMPT 又試制 2L 、 L4型鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋, 如圖 3(b 所 示, 一舉獲得成功 10; 2001年 GMPT 所屬的 Saginaw 鑄造廠消失模 生產(chǎn)線正式投產(chǎn), 標(biāo)志著美國(guó)消失模技術(shù)走向成熟 11。 Saginaw 鑄 造廠是目前世界上最先進(jìn) 、 規(guī)模最大的消失模生產(chǎn)工廠 。 共有五條 生產(chǎn)線, 能夠日產(chǎn) 198.6kW (270馬力 直列式運(yùn)動(dòng)跑車六缸鋁合金 缸體和缸蓋各 2100件, 試壓后總廢品率不大于 12%, 其中內(nèi)廢小 于 10%。該廠生產(chǎn)的 Votec 4200六缸缸體和缸蓋, 如圖 4所示 。 是目

18、 前最復(fù)雜 、 最有代表性的 LFC 產(chǎn)品 。 充分體現(xiàn)了 LFC 技術(shù)的優(yōu)越 性 。 這種型號(hào)的缸體和缸蓋是該公司的設(shè)計(jì)部門充分考慮了 LFC 法的特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的 。缸體質(zhì)量 40kg , 缸蓋質(zhì)量 22kg , 產(chǎn)品設(shè)計(jì)中集成了曲軸箱, 油 /空氣分離器, 如圖 5(a 所示 。 通氣系統(tǒng), 如圖 5(b 所示 。 復(fù)雜彎 曲 、 和回油管路全部鑄出, 如圖 6所示 。 大大減小了鉆孔加工和螺 栓裝配工作量, 減輕了整機(jī)的質(zhì)量噪音 、 震動(dòng)和污染, 提高了燃油 效率, 降低成本 12。 另外, Saginaw 鑄造廠工藝過程完善, 完全實(shí)現(xiàn)了 清潔生產(chǎn), 5臺(tái)預(yù)發(fā)泡機(jī) 、 29臺(tái)成行機(jī)每天生

19、產(chǎn)高質(zhì)量的聚苯乙烯 缸體和缸蓋模樣 。 缸體分 4片, 粘合成一個(gè)整體, 澆注時(shí)水平放置, 一箱一件; 缸蓋分 5片粘合成一, 減少了個(gè)整體, 澆注時(shí)水平放置, 一箱兩件 。 采用高性能的云母基涂料, 由機(jī)械手自動(dòng)浸涂, 干燥后 由機(jī)械手放入砂箱, 雨淋式加砂, 分三階段水平振動(dòng)緊實(shí) 。 鑄件在 清理 、 粗加工后, 100%經(jīng)滲透試驗(yàn), T6熱處理, 然后送到加工工廠 進(jìn)行精加工 13。第 1期 肖小峰等:發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋的消失模鑄造技術(shù) 229(a 4.3L 、 V6型 (b 2L 、 L4型圖 3鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋圖 4Votec 4200Iline 6Block &Head油 /空

20、分離器缸蓋通氣孔(a 油 /空分離器 (b 缸蓋通氣系統(tǒng) 圖 5缸體 、 蓋內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)缸體油路缸蓋油路圖 6發(fā)動(dòng)機(jī)高壓油路系統(tǒng)經(jīng)過十余年的研究和實(shí)踐, 相關(guān)計(jì)算機(jī)軟件快速發(fā)展, 使消 失模的工藝設(shè)計(jì)建立在更科學(xué)的基礎(chǔ)上 。 在工藝和模具設(shè)計(jì)制造 領(lǐng)域, 建立了先進(jìn)實(shí)用的 CAD/CAM/CAE系統(tǒng), 可以準(zhǔn)確 、 高效地 生產(chǎn)像六缸缸體 、 缸蓋之類復(fù)雜高質(zhì)量的模具; 通過應(yīng)用軟件 (如 Flow 3D 模擬金屬液充型 、 凝固過程的流動(dòng)場(chǎng)和溫度場(chǎng) 14, 可預(yù)測(cè) 鑄件產(chǎn)生缺陷的部位; 并著手進(jìn)行泡沫珠粒射料過程的流場(chǎng)模擬 和模樣在模具中加熱 、 冷卻過程中溫度場(chǎng)的變化規(guī)律模擬 。 成功 地

21、實(shí)現(xiàn)曲軸 、 變速箱 、 差動(dòng)器 、 離合器 、 發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和缸蓋的工業(yè) 化生產(chǎn), 如圖 7所示 。圖 7典型 LFC 產(chǎn)品2.2國(guó)內(nèi)20世紀(jì) 90年代中后期 LFC 法在我國(guó)獲得較廣泛的生產(chǎn)應(yīng) 用和快速發(fā)展, 在不到十年的時(shí)間里, 我國(guó)消失模鑄造技術(shù)已發(fā) 展到了一個(gè)新的階段, 在產(chǎn)品質(zhì)量逐步提高地同時(shí), 鑄件也由簡(jiǎn) 單的耐磨零件擴(kuò)展到變速箱體等復(fù)雜鑄件 15。 2003年至今我國(guó)某 企業(yè)生產(chǎn)的 LFC 缸體 、 缸蓋, 如圖 8所示 。 采用消失模技術(shù), 主攻 缸蓋 、 缸體, 初步獲得成功, 開始走向市場(chǎng), 但由于受到增碳 、 氣孔 等鑄造缺陷的困擾, 還未能實(shí)現(xiàn)低廢品率大批量工業(yè)化生產(chǎn) 16。(a 鑄鐵缸體 (b 鋁合金缸蓋圖 8國(guó)產(chǎn) LFC 缸體 、 蓋3結(jié)論發(fā)動(dòng)機(jī)缸體 、 蓋的制造水平是衡量國(guó)家的制造業(yè)水平