发动机箱体铸造工艺设计
摘要
本文综合分析了采用铸造工艺生产汽车发动机箱体的方法，从铸造设备、铸造模具设计、生产工艺、铸造生产中常见的问题及对策等多个角度，对铸造工艺的技术动向以及今后的研究课题提出了自己的见解。
对国内外发动机箱体铸造生产进行了总结,其材质主要以C(质量分数,下同):3.15%~3.3%,CE:3.95%~4.05%,Si/C:0.6%~0.7%的灰铸铁为主。一般选择冲天炉-有芯工频电炉进行熔炼,孕育剂仍普遍采用75SiFe,立浇底注式浇注系统和保温冒口有利于获得优质箱体,冷芯制芯工艺已逐渐取代热芯工艺。通过提高浇注温度、型砂紧实率等措施可减少箱体常见缺陷渗漏的出现。
铸造过程中合金配比工艺研究当箱体中含Cr量从0．308％上升到0．343％并不能明显增加珠光体数量和片间距的等级，但是可使铸件各部位的硬度总体呈上升趋势。铸件抗拉强度值上升幅度很大。一般可上升20～30MPa．在箱体中加入 Sn可以明显提高铸件的布氏硬度和组织中的珠光体含量，但对于提高珠光体的 片间距等级和减少渗碳体量则效果不明显。
关键词：铸造工艺；灰铸铁；模具设计
ABSTRACT
This paper analyzes the use of the casting process to produce automobile engine box approach from many angles common foundry equipment, casting mold design, manufacturing process, casting production problems and countermeasures on the casting process technology trends and future research put forward their own views.
For domestic and engine block, cylinder head casting a summary, the material mainly C (mass fraction): 3.15% ~ 3.3%, CE: 3.95% ~ 4.05%, Si / C: 0.6% ~ 0.7 % of gray cast iron main. Generally choose cupola - a core-frequency electric furnace smelting, inoculant is still widely used 75SiFe, Li pouring bottom gating and riser system is conducive to quality block, cylinder heads, cold-core making process has been gradually replaced by heat core processes. By increasing the pouring temperature, sand compaction rate and other measures to reduce the block, cylinder heads common defect leakage occurs.
Alloy Casting process, when the ratio of the cylinder Cr content increased from 0.308% to 0.343% did not significantly increase the number and spacing of pearlite grade, but can cast various parts of hardness overall upward trend. Casting a great tensile strength values rise. Generally rise 20 ~ 30MPa. Adding Sn in the cylinder can significantly improve the casting Brinell hardness of pearlite content and organization, but for improving the pearlite spacing levels and reduce the amount of cementite is ineffective.
Keywords: casting; gray iron; mold desig
1 前言
1．1课题背景
发动机箱体的铸件是发动机生产中难度最大、最重要的一环,其质量对发动机的功率、油耗等性能起着决定性的作用。通过对国内外发动机箱体铸造生产中的材质,熔炼工艺,及铸造工艺进行讨论,为提高我国发动机箱体的铸造工艺水平积累一点有用的资料,为有关箱体铸造生产厂在技术改造时提供一些有益的参考。
1发动机箱体箱盖的特点
目前汽车发动机在设计上不仅要求降低单位功率质量,减小噪音,还要控制燃油消耗,减少尾气排放,而箱体的铸造工艺水平对发动机的这些性能有着重要的影响。由此可见,发动机箱体铸件具有以下几个特点。
1)质量轻,强度高。当前发动机用材正由传统的铸铁材料向轻型铝镁合金转变,对箱体铸件结构的要求也不断提高。
2)结构复杂。在箱体上,除有特殊形状的配气燃烧室外,有进气道、排气道,还有冷却水套、润滑油道等,内腔形状复杂多变,同时由于发动机装配的需要,其外形结构也十分复杂。
3)形状准确,尺寸精度高。发动机输出功率的大小与燃烧室及进排气道的形状和大小关系大,铸件超出设计状态lmm,动力性能将降低10%左右[1]。
但另一方面，铸件的合金种类和结构类型不同。生产工艺装备和组织形式不同，其生产的关键技术和技术难点也是各不相同的，更何况箱体箱盖铸件又属于典型的薄壁、复杂、多芯且结构铸造工艺性很差的难制造铸件。而且还都必须满足高强度、高精度、不渗漏、易切削、抗热疲劳等一系列很高的技术要求。在铸造生产过程中极易产生10多种足以导致铸件报废的铸造缺陷。因此，箱体铸件也被称为“铸造之花”[l]。
随着中国的改革开放和加入WTO，国外大汽车公司纷纷在中国投资建厂，引进了多种汽车及发动机产品，在一定程度上促进了中国汽车工业的发展。设计生产的新型汽油机箱体为中国当前大力发展的、具有自主知识产权的汽车产业迈出重要的一步。
1．2箱体铸件国内外研究现状和发展趋势
发动机类铸件的生产属大批量、专业化流水生产性质，一般年生产纲领，少则上万件，多则几千万件。产品结构复杂，铸造难度大，相应生产工序多、工艺装备的要求也高，如发动机箱体等铸件，既有复杂的内腔和外形结构，又要求薄壁及高度精确的毛坯尺寸。产品的材质性能要求严格，并且种类繁多，如排气管要求良好的耐热性能；缸套、活塞环等又要求严格的耐磨性能和热稳定性能等等。因此，人们普遍认为，发动机类铸件的生产水平一定程度上代表了这个国家的铸造生产水平，也反映出这个国家这类机械产品的性能和质量。
1．2．1国外发动机箱体铸造技术生产状况
到目前为止，在材质的选择上，车用发动机箱体箱盖的材质主要有灰铸铁，铝合金，蠕墨铸铁等。随着发动机朝着大功率、环保方向的发展，灰铸铁的牌号越来越高，现在运用普遍的是HT250，而HT300也已应用于箱体的生产，个别产品性能要求达到HT350。
在铸铁的熔炼上，为确保铸件获得良好的金相组织、稳定的力学性能和满足壁薄(3～5mm)、结构复杂铸件的浇注要求，要求铁液具有稳定的化学成份，较高的出炉温度和需要对氧化渣、气体含量进行严格的控制。国外主要运用热风冲天炉、冲天炉与感应电炉双联熔炼，炉前配备快速金相和热分析仪，同时还配备直读光谱仪等设备。在孕育上普遍采用复合孕育，以提高铸件的综合性能。
在造型上主要运用气冲造型线(如GF线、BMD线)及静压造型线(如KW线、HWS线)、负压加砂加压实(如KW)造型线等等。从目前来看，发动机类铸件的生产宜采用自动化程度高的气冲线或静压线的较多。
制芯方面，在欧美较多采用以冷芯盒为主(曲轴箱、端面芯等均为冷芯盒)，配以壳芯；而日本更多采用壳芯。以呋喃树脂为粘结剂的热芯盒砂芯，因芯砂流动性差、芯子表面疏松等原因，已逐渐被冷芯盒砂芯和壳芯所取代。
为保证铸件表面质量和内腔清洁度，要采用抛丸、机械磨削及手工清铲等进行清理，采用高水压(10～12MPa)清洁箱体内腔。
1．2．2我国发动机箱体铸件的生产状况
近年来，我国铸造行业的生产技术及装备水平有了长足的进步，产品品种及产量基本上已能满足国民经济各个行业发展的需求，铸件出口量也不断增长。铸件的材质大多为HT250。为得到较好的金相组织和力学性能、防渗漏性能以及加工性能，合金成分设计上，多采用高碳当量(CE=3．9"--'4．05％)，低合金化的原则。
为获得连续稳定的高质量铁液，多采用冲天炉与感应电炉双联熔炼工艺，浇注温度一般在1400"-1450。C。采用炉前和随流二次孕育的孕育方法对铸件性能的稳定也起到重要的作用。
以气冲、静压造型线为代表的各类高压造型的自动化造型线已在发动机生产企业里得到广泛的应用，此外，垂直和水平分型的高压、射压、挤压等先进的造型工艺和装备的应用也大大提高了我国内燃机箱体等薄壁高强度铸件的尺寸精度和表面质量。
在制芯方面，冷芯盒法制芯发展速度加快，其优点凸显，高强度、低膨胀、高溃散性覆膜砂受到更多的关注并开始大量生产与使用。
在清理方面，由于箱体铸件内腔复杂，难以清理，壁厚也容易变化，故采用机械手程序控制抛丸角度和时间取得了较好的效果，受到了更多的认同。
此外国内自行开发的无余量精铸技术、新型的浇注系统过滤网技术等等也均有效地提高了铸件的内、外质量和生产效率。
高科技的测试技术和计算机辅助设计、计算机辅助管理以及计算机自动控制等技术的推广应用使铸造行业技术上了一个新台阶。近几年来，行业内直读光谱仪、热分析仪、三坐标测量仪已得到了普遍的应用，大大提高了测试分析的精度；计算机辅助的铸件设计、浇注系统设计、铸造生产管理和生产过程数据自动处理等等提高了工作效率和管理水平；由PC机控制的各类机械手或机器人在热、脏、累的工序里解放了一部分铸造工人的繁重体力劳动。一、选题简介、意义
简介气缸体下部用来安装曲轴的部位称为曲轴箱，曲轴箱分上曲轴箱和下曲轴箱。上曲轴箱与气缸体铸成一体，下曲轴箱用来贮存润滑油，并封闭上曲轴箱，故又称为油底壳图。油底壳受力很小，一般采用薄钢板冲压而成，其形状取决于发动机的总体布置和机油的容量。油底壳内装有稳油挡板，以防止汽车颠动时油面波动过大。油底壳底部还装有放油螺塞，通常放油螺塞上装有永久磁铁，以吸附润滑油中的金属屑，减少发动机的磨损。在上下曲轴箱接合面之间装有衬垫，防止润滑油泄漏。
意义为了能够更好的了解曲轴箱的性能，从其中了解现在曲轴箱的缺陷与不足，在现在的基础上进行一定的提高好改善。
二、课题综述（课题研究，主要研究的内容，要解决的问题，预期目标，研究步骤、方法及措施等）
主要研究的内容分析了采用铸造工艺生产汽车发动机箱体的方法，从铸造设备、铸造模具设计、生产工艺、铸造生产中常见的问题及对策等多个角度，对铸造工艺的技术动向以及今后的研究课题提出了自己的见解
要解决的问题其质量对发动机的功率、油耗等性能起着决定性的作用。通过对国内外发动机箱体铸造生产中的材质,熔炼工艺,及铸造工艺进行讨论,。
预期目标提高我国发动机箱体的铸造工艺水平积累一点有用的资料,为有关箱体铸造生产厂在技术改造时提供一些有益的参考。
研究步骤1·箱体铸件国内外研究现状和发展趋势2·国外发动机箱体铸造技术生产状况
3·我国发动机箱体铸件的生产状况
方法及措施通过对材料和对铸造形状的研究进行改善。
三、设计（论文）体系、结构（大纲）
摘要 2
ABSTRACT 3
1 前言 6
1．1课题背景 6
1．2箱体铸件国内外研究现状和发展趋势 6
1．2．1国外发动机箱体铸造技术生产状况 7
1．2．2我国发动机箱体铸件的生产状况 7
1．3灰铸铁箱体材料的发展 8
1．3．1箱体材料要求 8
1．3．2灰铸铁箱体材料 8
1．3．3灰铸铁的组织和几种合金元素的影响 9
1．3．4国内外箱体生产中灰铸铁材质的选择 13
1．4本课题研究的内容 18
2 低合金灰铸铁箱体工艺简介 19
2．1生产设备及原材料 19
2．1．1生产设备 19
2．2结构简介 19
2．3材质要求 20
2．4造型及浇注系统设计 21
2．4．1造型工艺 21
2．4．2浇注系统 22
2．5制芯及组芯工艺方案设计 23
2．5．1制芯 23
2．5．2组芯 23
2．6孕育剂的加八方法 25
2．6．1孕育机理及目的 25
2．6．2生产孕育铸铁铸件的条件 25
2．7．1原材料 26
3 合金元素对发动机箱体性能的影响 27
3．1引言 27
3．2试验装置及试验方法 28
3．2．1试验装置 28
3．2．2原材料 28
3．2．3制样 28
3．3铬对箱体力学性能和金相组织的影响 29
3．3．1试验目的及内容 29
3．3．2试验结果 29
3．4锡对箱体力学性能和金相组织的影响 22
3．4．1试验目的及内容 33
3．4．2实验结果 33
4 结论 42
致 谢 43
参考文献 44
参考文献
[1]万仁芳，汽车工业发展与汽车发动机灰铸铁缸体生产技术[J]．铸造，2001(12)：747
[2][德]ThollM．利用优质致密蠕墨铸铁使轿车发动机机体薄壁化轻量化[J]．国外内燃机，1997(3)[3]国家自然科学基金委．机械制造科学(热加工)．北京：科学出版社，1995：178～184
[4]乔晓梅，王文平．铬系耐磨白口铸铁研究状况[J]．山西机械，2000，(增刊2)19～22
[5]范林，柴苍修，邓燕妮，耐磨高强度薄壁气缸体铸铁材料的发展[J]．车用发动机，1999(8)：1～4
[6]宗俊峰．汽车发动机高强度灰铸铁铸件的研究[J]．铸造，1993，3．
[7]陈琦，彭兆弟．铸造合金配料速查手册[M]．北京：机械工业出版社，2004．
[8]李传拭，灰铸铁的组织和几种合金元素的影响(一)[J]-铸造纵横，
2004(12)：10---17
[9]陆文华，李隆盛，黄良余．铸造合金及其熔炼[M]．北京：机械工业出版社，1997．16～44．
[10]沈永华，潘东杰，黄列群．高强度灰铸铁的研究与发展[J]．现代铸铁，1999，4：34"-"37．
[11]李传拭，灰铸铁的组织和几种合金元素的影响(二)[J]．铸造纵横，2005(1)：15～18
[12]铸铁手册编写组，铸铁手册[M]．北京：机械工业出版社，1984：107
[13]张伯明等，缸体和缸盖的铸造[J]．现代铸铁，1998(2)：22""23
[14]刘佑平，柴油机灰铸铁件化学成分的选择[J]．中国铸造装备与技术，2002(1)：16．--,17
[15]胡家聪等，对提高缸体和缸盖铸铁件材质的几点看法[J]．现代铸铁，
1998(2)：60,---62
[16]范晓明等，薄壁高强灰铸铁缸体、缸盖材质的研究[J]．铸造设备研究，1997(5)：1"--4
[17]薛亦渝等，康明斯6BT气缸盖铸件生产控制技术[J]．武汉工学院学报，1995(12)：33,--,36
[18]潘亮星等，4100QB缸盖的铸造生产及质量控制[J]．机械工人(热加工)，2002(7)：41"---43
[19]刘洪德，BJ2021切诺基缸体毛坯的铸造[J]．铸造，1995(8)：20"～23
[20]陈子华等，微量铅对缸体渗漏的影响(下)[J]．中国铸造装备与技术，
2002(6)：13～15[21]赵建康，铸造合金及其熔炼[M]．北京：机械工业出版社，1985：34
[22]木村隆茂，有效利用稀土类元素铸造薄壁高强度铸件[J]．国外内燃机，2003(2)：45～49
[23]陈勉己，灰铸铁缸体缸盖铸件质量控制技术[J]．现代铸铁，1994(4)：70～72
[24]吴志中等，孕育处理对灰铸铁缸体铸件显微组织均匀性的影响[J]．现代铸铁2004(2)：27----30
[25]范晓明等，RCC孕育剂对低铬铝灰铸铁组织和性能的影响[J]．武汉汽车工业大学学报，1997(8)：46"-'49
[26]姜金文，复合孕育在薄壁高强度灰铸铁中的应用[J]．柴油机设计与制造，2002(3)：39---46[27]SeanMP．ForecastingforCasting，FoundryManagement＆Technology,1997(3)：24---27
[28]张羽，提高灰铸铁材质的途径[J]．现代铸铁，1999(4)：56
[29]逢伟，高碳当量高强度灰铸铁国内外发展概况[J]．汽车工艺与材料，1997(11)：1～4
[30]Luk．et al—Proceeding of the 4th international Symposium on the Physical Metallurgy of Cast Iron．toyto．Japan，1 989
[31]炉料配比和电炉保温对灰铸铁性能的影响．高强度薄壁灰铸铁件铸造技术鉴定会资料．1985(9．)
[32]Wolfram Weis et al，Gray Iron Properties Depend on Charge Materials that May Affect Shrinkage，Foundry Management&Technology，1 993(1 0)，3 9～42
[33]曹文龙主编．铸造工艺学[M]．机械工业出版社，1989：204～276
[34]李庆春主编．铸件形成理论基础[M]．机械工业出版社，1987：222,-一248
[35]刘文川，欧光富．灰铸铁件浇冒系统优化设计的几个技术问题[J]．机械，2001，(04)：39,--41
[36]李玉庆．合理设计浇注系统减少夹渣缺陷[J]．现代铸铁，2003，(03)：21"26
[37]刘文川．气缸体类复杂薄壁件型腔排气系统的合理设计[J]．现代铸铁，1999，(04)：48---50
[38]郑建斌．缸体类铸钢件工艺冒口的设计[J]．铸造技术，2003，(02)：51～53
[39]章九清．胺法冷芯盒树脂砂造芯工艺的研究及应用(1)[J]．铸造技术1998，(4)：50---55
[40]邹化仲．三乙胺法冷芯盒制芯工艺的应用及探讨[J]．汽车工艺与材料．1997，(1)：14～16
[41]British．patent．NO．1190644
[42]姜法森．4G1汽油机缸体铸件的工艺研究．2007．16
[43]P．N．Hensen．How to select and USe criterion functions in solidification
simulation．AFS Transactions，1993，101：443～445
[44]L．Alvarez，C．J．Luis，I．Puertas，Analysis of the influence of chemical
composition on the mechanical and metallurgical properties of engine cylinder blocks in grey cast iron， Journal of Materials Processing
Technology,2004(4)，1039"～1044
[45]徐桂芳．薄壁缸体铸件中合金元素的选择[J]．现代铸铁，2000，2：13～16．
[46]康宽滋，4JBl发动机缸体缸盖的铸造工艺特点及质量控制[J]．现代铸铁，2001(4)，35～39
[47]张伯明，陈鹤涛．铜对灰铸铁性能和组织的作用[J]．铸造技术，1992，(1)：3～6．
[48]乔林锁，低铬灰铸铁的高温性能及其应用[J]．包钢科技，l995(4)：13～
17
[49][美国]灰铸铁研究委员会AFS灰铸铁部，如何稳定灰铸铁中的珠光体组织(待续)[J]．铁道机车车辆工人，2001(6)：23～-26
[50]陆利明等，气缸体、气缸盖用高强度灰铸铁的综合铸造技术[J]．上海金属，1995(5)，40,---,46
[51]司乃潮等，高强度灰铸铁在薄壁缸体上的应用[J]．农业机械学报2000(9)：96---100
[52]苏广才．微合金交互作用及配对比对灰铸铁组织和性能的影响[J]．热加工工艺，2004，(11)：36"--38．
[53]乔林锁，低铬灰铸铁的高温性能及其应用[J]．包钢科技，1995(4)：13～17
[54]武宏，付永红，王发展．缸体、缸盖用高强度灰铸铁生产技术[J]．热加工工艺，2005，10：65～68．
