材料成型論文----機(jī)械系.doc

法拉利等高級(jí)跑車發(fā)動(dòng)機(jī)的選材及成型技術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)類鑄件的生產(chǎn)屬大批量、專業(yè)化流水生產(chǎn)性質(zhì)，一般年生產(chǎn)綱領(lǐng)，少則上萬件，多則幾千萬件。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鑄造難度大，相應(yīng)生產(chǎn)工序多、工藝裝備的要求也高，如發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋等鑄件，既有復(fù)雜的內(nèi)腔和外形結(jié)構(gòu)，又要求薄壁及高度精確的毛坯尺寸。而影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的關(guān)鍵因素又取決于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，材料的選擇和制造技術(shù)。其中材料的選取又是重中之重。材料的型號(hào)繁多、品種各異，每一種材料都有其不同的具體化學(xué)成分和各種性能，而且材料的結(jié)構(gòu)、性能還隨制備方式與處理工藝而變。到目前為止，在材質(zhì)的選擇上，車用發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋的材質(zhì)主要有灰鑄鐵，鋁合金，蠕墨鑄鐵等。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)朝著大功率、環(huán)保方向的發(fā)展，灰鑄鐵的牌號(hào)越來越高，現(xiàn)在運(yùn)用普遍的是HT250，而HT300也已應(yīng)用于缸體、缸蓋的生產(chǎn)，個(gè)別產(chǎn)品性能要求達(dá)到HT350。1 發(fā)動(dòng)機(jī)的基本構(gòu)造發(fā)動(dòng)機(jī)是一種由許多機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)組成的復(fù)雜機(jī)器。無論是汽油機(jī)，還是柴油機(jī)；無論是四行程發(fā)動(dòng)機(jī)，還是二行程發(fā)動(dòng)機(jī)；無論是單缸發(fā)動(dòng)機(jī)，還是多缸發(fā)動(dòng)機(jī)見下圖11所示。要完成能量轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)工作循環(huán)，保證長時(shí)間連續(xù)正常工作，都必須具備以下一些機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)：曲柄連稈機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)、燃料供給系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、起動(dòng)系統(tǒng)1。2 發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件材料概述2.1 鋁合金活塞鋁合金的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是密度小，約為鑄鐵的13，在同樣強(qiáng)度的情況下，它比鋼鐵材料輕許多可大大減少活塞的質(zhì)量及往復(fù)運(yùn)動(dòng)的慣性力，對(duì)缸壁的側(cè)壓力和沖擊力也較小。從而減小活塞組與缸壁以及活塞銷的摩擦力，并降低它們的磨損力量。鋁合金的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)熱性好，工作時(shí)，活塞表面溫度比鑄鐵的低，而且活塞頂部的積炭也較少。迄今曾經(jīng)使用過的活塞材料大致四類：A1Cu-NiMg系、A1一cusi系、共晶型A1一siCuMg系及過共晶型一siCuMg前兩類由于存在線膨脹系數(shù)大、比重大、體積不穩(wěn)定的缺點(diǎn)早已被淘汰3。目前國內(nèi)使用的鋁活塞材料主要是共晶型鋁硅合金，ZLl08(ZAISil2Cu2Mg)、ZLl09(ZAlSil2CulMgiNil)。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)性能的不斷提高，共晶型鋁硅合金已越來越難以達(dá)到使用性能要求，在汽油機(jī)和天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)中，過共晶鋁硅合金的使用越來越多。過共晶型鋁硅合金含硅量高達(dá)1726，合金比重減小，線膨脹系數(shù)降低，抗磨性及體積穩(wěn)定性相應(yīng)提高，是較理想的活塞材料1。2.2 連桿材料連桿是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要零件，其作用是將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其好壞與優(yōu)劣直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能。在工作過程中，連桿受力較復(fù)雜：一方面承受氣體的壓力和往復(fù)運(yùn)動(dòng)的慣性力所產(chǎn)生的沖擊性拉壓交變載荷；同時(shí)連桿擺動(dòng)產(chǎn)生橫向慣性力，導(dǎo)致其承受彎曲交變載荷。因其較長，所以要求連桿有足夠的強(qiáng)度和剛度。鈦合金連桿：鈦是一種重量很輕，強(qiáng)度很大的材料，而且價(jià)格非常昂貴，一般只在航空領(lǐng)域采用。作為航空及軍工材料鈦及其合金的優(yōu)良性能無可爭辯。航天器和潛艇表層涂上鈦后，其抗壓、耐熱及綜合機(jī)械性能顯著提高。由于其密度約為鋼材12，應(yīng)用在汽車上，在保證性能的同時(shí)，輕量化效果十分明顯。如材料為a+8型鈦合金：Ti6A14V。其較好的塑性可進(jìn)行冷、熱加工。經(jīng)淬火、時(shí)效處理后，強(qiáng)度較好。而質(zhì)量則下降了15201。2.3 曲軸材料曲軸是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件之一，其性能好壞、直接影響到汽車的質(zhì)量和壽命。曲軸在發(fā)動(dòng)機(jī)中承擔(dān)最大負(fù)荷和全部功率，承受著強(qiáng)大的、方向不斷變化的彎矩及扭矩，同時(shí)經(jīng)受著長時(shí)問高速運(yùn)轉(zhuǎn)的磨損，因此耍求曲軸材質(zhì)具有較高的剛性、疲勞強(qiáng)度和良好的耐磨性能。新型鋁合金復(fù)合材料：90年代以來國外廣泛采用高強(qiáng)度鋁合金來代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料，以實(shí)現(xiàn)輕量化。其曲軸采用壓力鑄造纖維和顆粒增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料。2.4 機(jī)體材料機(jī)體是發(fā)動(dòng)機(jī)中單件質(zhì)量最大的零件，一般都超過發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的14，甚至接近131。減輕它的質(zhì)量是發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化的重要途徑。鋁合金是汽車上應(yīng)用最快和最廣的輕金屬，因?yàn)殇X合金本身的性能已經(jīng)達(dá)到質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕的要求。鋁合金通過強(qiáng)化合金元素其強(qiáng)度大大提高，由于質(zhì)輕、散熱性好等特性，完全滿足了發(fā)動(dòng)機(jī)活塞、氣缸體、氣缸蓋在惡劣環(huán)境下工作的要求。鋁合金氣缸體、氣缸蓋壓鑄成型技術(shù)可以提高凈化、精煉、細(xì)化、變質(zhì)等材質(zhì)質(zhì)量控制，使得鋁鑄件質(zhì)量達(dá)到一致性和穩(wěn)定性。由于鋁合金密度低，強(qiáng)度性能與灰鑄鐵相近，韌性卻高于灰鑄鐵，且有良好的鑄造性能。鋁合金的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體己經(jīng)成為汽車輕量化的首選。這是因?yàn)殇X合金缸體質(zhì)量輕，導(dǎo)熱性良好，冷卻液的容量可減少。啟動(dòng)后，缸體很快達(dá)到工作溫度，并且和鋁活塞熱膨脹系數(shù)完全一樣，受熱后間隙變化小，可減少?zèng)_擊噪聲和機(jī)油消耗。和鋁缸蓋熱膨脹相同，工作可減少冷熱沖擊所產(chǎn)生的熱應(yīng)力。由于目前轎車大多采用發(fā)動(dòng)機(jī)前置驅(qū)動(dòng)，使用鋁合金缸體缸蓋減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的重量，有利于均衡前后重量比，防止高速行駛過程的轉(zhuǎn)向偏差現(xiàn)象，從而提高了轎車的操控性和安全性。采用高性能鋁合金缸體和缸蓋的全鋁制發(fā)動(dòng)機(jī)，已經(jīng)成為體現(xiàn)轎車技術(shù)水平的標(biāo)志之一3。壓鑄鋁是首選的新型機(jī)體材料，如采用SiCu系列的GDAISi9Cu3壓鑄鋁密度僅為鑄鐵的30左右，可見減重的幅度較大。由干機(jī)體采用了鋁合金，故主軸蓋底座不必另外考慮，而是采用整體框架式結(jié)構(gòu)。采用壓鑄鋁整體框架式主軸承蓋底座，可以降低制造成本、便于安裝、減少噪聲輻射。研究表明，高硅鋁合金比含銅的過共晶鋁合金更有競爭力。因?yàn)楦吖桎X合金材料具有疲勞強(qiáng)度高、耐磨性好、抗缸孔變形能力強(qiáng)、重量輕和導(dǎo)熱性好等優(yōu)點(diǎn)，制造方面具有制造成本低、鑄件質(zhì)量更好及機(jī)加工性能和刀具壽命高等優(yōu)點(diǎn)。代表著結(jié)構(gòu)材料重要發(fā)展趨勢的聚合物復(fù)合材料以比強(qiáng)度和比模量高、耐疲勞、減振性良好、耐腐蝕和尺寸穩(wěn)定等優(yōu)良性能脫穎而出。且生產(chǎn)部件的總能耗只有鋼材的5060，是鋁鎂材料的70803。因而開始出現(xiàn)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體上。聚合物基復(fù)合材料作為汽車部件應(yīng)用的主要優(yōu)點(diǎn)是：重量輕、耐腐蝕、容易修補(bǔ)、噪音小、成型工藝方便、燃油消耗低等。3 發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件成型技術(shù)以氣沖、靜壓造型線為代表的各類高壓造型的自動(dòng)化造型線已在發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)里得到廣泛的應(yīng)用，此外，垂直和水平分型的高壓、射壓、擠壓等先進(jìn)的造型工藝和裝備的應(yīng)用也大大提高了我國內(nèi)燃機(jī)缸體、缸蓋等薄壁高強(qiáng)度鑄件的尺寸精度和表面質(zhì)量。在制芯方面，冷芯盒法制芯發(fā)展速度加快，其優(yōu)點(diǎn)凸顯，高強(qiáng)度、低膨脹、高潰散性覆膜砂受到更多的關(guān)注并開始大量生產(chǎn)與使用。在清理方面，由于缸體、缸蓋鑄件內(nèi)腔復(fù)雜，難以清理，壁厚也容易變化，故采用機(jī)械手程序控制拋丸角度和時(shí)間取得了較好的效果，受到了更多的認(rèn)同。此外國內(nèi)自行開發(fā)的無余量精鑄技術(shù)、新型的澆注系統(tǒng)過濾網(wǎng)技術(shù)等等也均有效地提高了鑄件的內(nèi)、外質(zhì)量和生產(chǎn)效率。3.1壓鑄工藝壓鑄鋁合金缸體鑄造工藝性能是指在充滿鑄型、結(jié)晶和冷卻過程中表現(xiàn)最為突出的那些性能的綜合。如流動(dòng)性、收縮性、氣密性、鑄造應(yīng)力、吸氣性等。鋁合金這些特性取決于合金的成分，但也與鑄造因素、合金加熱溫度、鑄型的復(fù)雜程度、澆冒口系統(tǒng)、澆口形狀等有關(guān)。在缸體壓鑄生產(chǎn)中，壓鑄機(jī)、壓鋅臺(tái)金和壓鑄模具是3大要素。壓鑄丁藝惺將3大要索作有權(quán)的組合并加以運(yùn)用的過程。壓鑄成型過程中其填充壓力和填充速度、澆注溫度、填充時(shí)間、開型時(shí)間對(duì)壓鑄件的質(zhì)量是最為美鍵的部分，生產(chǎn)過程中要使各種工藝參數(shù)滿足壓鑄生產(chǎn)的需要4。首先，應(yīng)該合理設(shè)計(jì)缸體壓鑄件的澆注系統(tǒng)。通常缸體壓鑄件的澆注系統(tǒng)有兩種形式：單側(cè)澆注系統(tǒng)和雙側(cè)澆注系統(tǒng)。單側(cè)澆注系統(tǒng)一般適于小型缸體，雙側(cè)澆注系統(tǒng)一般用于大型缸體。齒形激冷排氣塊排氣集渣效果良好，獲得廣泛使用。齒形排氣道的厚度大致控制在06ram以下。采用合理的工藝參數(shù)，包括壓射行程、壓射速度、壓射壓力及壓鑄溫度等，對(duì)提高壓鑄缸體質(zhì)量和保持質(zhì)量穩(wěn)定性非常重要。通常，缸體壓鑄的慢壓射速度控制在02rrgs左右，快壓射速度控制在3-5ms，或者填充速度控制在3050ms，壓力一般不低于60MPa。缸體壓鑄對(duì)壓鑄溫度更為敏感。對(duì)于常用合金，金屬液的溫度要控制在640C680之間，模具的溫度噴涂后控制在150200之間。要使用模溫機(jī)對(duì)模具溫度進(jìn)行控制，實(shí)際上，模溫機(jī)已成為缸體壓鑄中不可缺少的輔助設(shè)備。同時(shí)要設(shè)置足夠的冷卻力口熱管道，保證對(duì)模具溫度的有效控制4。除去前述各因素外，合金液的質(zhì)量也是不可忽略的。應(yīng)充分注意合金液質(zhì)量，避免合金污染，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行除氣和精煉處理。真空方法也是缸體壓鑄一個(gè)有效的質(zhì)量保證措施，但會(huì)增加額外工序。目前許多壓鑄廠在生產(chǎn)缸體時(shí)未采用真空方法，也能壓鑄出合格產(chǎn)品。缸體壓鑄件的缺陷主要包括氣孔、縮孔、冷隔、裂紋、夾渣等，缸體壓鑄件質(zhì)量受多種因素影響，要綜合考慮各種因素控制缺陷的產(chǎn)生。3.2 鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸體壓鑄成型壓力鑄造：它是目前鋁合金缸體鑄件最主要的生產(chǎn)工藝。其生產(chǎn)率和工藝穩(wěn)定性較高，生產(chǎn)的鑄件尺寸精度高、表面光潔度好、機(jī)械加工余量小，符合凈成型和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的原則。而廢品率相對(duì)較低(廢品率約為5)，符合節(jié)材和節(jié)能的原則。缸體壓鑄模具主要由動(dòng)型部分和定型部分兩個(gè)太部分組成，定型周定在壓鑄機(jī)的定型座板上。由澆遭將壓鑄機(jī)壓室與型腔連通。動(dòng)型隨壓鑄機(jī)的動(dòng)型座板移動(dòng)，完成開合型動(dòng)作。壓鑄該高速發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的模具及其在拎室壓鑄機(jī)上的安裝，該模具采用六面抽芯的結(jié)構(gòu)，主要由定模部分動(dòng)模部分濺型部分、澆注系統(tǒng)、抽芯機(jī)構(gòu)、頂出機(jī)構(gòu)、排氣系統(tǒng)、加熱保溫裝置、定位導(dǎo)向系統(tǒng)等幾部分組成。壓鑄模具材料選用3Cr2W8V和H13抽芯棒可采用鈦舍金或高溫合金，熱處理后其硬度可以達(dá)到45HRC以上，表面通過氮化處理后，壓鑄模具的壽命可達(dá)到10萬次以上。金屬型重力鑄造：金屬型重力鑄造是指在重力作用下，液體金屬充填金屬鑄型而獲得鑄件的一種鑄造方法。該工藝生產(chǎn)的鑄件具有表面質(zhì)量好，尺寸精度高的特點(diǎn)，而且工藝的靈活性又有利于解決像缸體這類復(fù)雜鑄件的實(shí)際生產(chǎn)問題，尤其是在協(xié)調(diào)澆注系統(tǒng)與鑄件補(bǔ)縮這兩個(gè)難題方面。其次，設(shè)備簡單、可靠，十分便于操作和維修，且投資少、生產(chǎn)效率高，綜合經(jīng)濟(jì)性好。再有，金屬型重力鑄造可以很好的解決鑄件內(nèi)部的含氣量問題，以及缸體結(jié)構(gòu)形狀方面限制的問題。與壓力鑄造相比增加了鑄件的補(bǔ)縮冒口，這確實(shí)使鋁液利用率降低，然而針對(duì)鋁缸蓋這種復(fù)雜鑄件的生產(chǎn)，設(shè)置冒口有利于鑄件的宏觀組織結(jié)構(gòu)，可以在減少鑄件滲漏缺陷方面得到部分補(bǔ)償6。參考文獻(xiàn)1王麗娟,西安工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件選材系統(tǒng)的研究.2李明，