1、汽车发动机缸体用复合材料的结构设计课程设计教材 J I A N G S U U N I V E R S I T Y复合材料07课程设计汽车发动机缸体用复合材料的结构设计The Structure Design of Composites for Car Engine Cylinder Body 学院名称：材料科学与工程学院 专业班级：复合材料1001班 学生姓名： 指导老师姓名：2010年7月摘 要铝基复合材料具有低的密度，高的比强度和比刚度，优良的铸造性能。由于汽车轻量化的要求，铝基复合材料将越来越多的应用于汽车领域中。本文设计了铝基复合材料在发动机缸体中的应用，同时将铝基复合材料和传统发动
2、机缸体的材料做了比较。 复合材料主要由增强体和基体组成，本文以铝合金作为基体选择碳化硅作为增强体并且选择传统的压力铸造工艺进行制备发动机缸体。最后对生产的产品进行必要的质量控制和检测，使得制备出来的发动机缸体符合要求。关键词：铝基复合材料，发动机缸体，压力铸造ABSTRACTAluminum matrix composite have low density, high specific strength，specific stiffness and excellent casting properties. Since the requirements of lightweight vehi
3、cles, Al matrix composite will be used more and more in automotive field. This article describes the application of Al matrix composite in the engine cylinder body, meanwhile make a compare with the materials of traditional engine cylinder body. Composite material is made up of matrix and reinforcem
4、ent. In this work, aluminum alloy and SiC particle are choosen as matrix and reinforcement, respectively. The engine cylinder body product is formed by pressure die casting technology. At last, The quality check and control system are demonstrated for the product meeting the application requirement.
5、Key words: Al matrix composite; engine cylinder body; pressure die casting目 录 4第一章 绪 论 51.1 选题的意义 51. 2 发动机缸体用的材料 51.2.1 灰铸铁 61.2.2 蠕铁 61.2.3 镁基体 71.2.4 铝基体 8第二章 发动机缸体的设计 92.1 发动机缸体的产品图 92.2材料的选择 92.2.1基体的选择 92.2.2增强体的选择 102.3 成型工艺 112.3.1成型工艺的种类 112.4 发动机缸体工艺、工装 162.4.1 铸造工艺方案 162.4.2 模具的设计 172.5 发
6、动机缸体的加工流程 172.5.1.制芯工艺 172.5.2.组芯工艺 182.5.3.造型工艺 182.5.4.下芯工艺 182.5.5.熔炼 182.5.6.浇注系统设计 192.5.7.工艺参数的选定 192.5.8.落砂、清理及检测 192.6 质量控制 202.6.1 原材料的选择 202.6.2 成型工艺的控制 212.6.3 后续的加工与处理 26第三章 总结 27参考文献 28第一章 绪 论1.1 选题的意义随着现代汽车工业的高速发展，越来越多的汽车使用铝基体代替钢、塑料等传统材料，使得汽车工业朝着轻量化、高速、安全、舒适、低排放、低成本与节能的方向发展。汽车轻量化采用铝基体效
7、果十分显著。目前，汽车工业发达国家平均用铝量已达130kg以上，而日本2000年的轿车用铝量达270kg。我国轿车平均用铝量在80-100kg。研究表明，汽车整备质量每减少100kg，百公里油耗可降低0.3L到0.6L。此外，汽车轻量化还可以提高汽车动力性，节省材料，降低成本。减轻车重，材料的再利用和绿色制造是汽车材料的发展重点。发动饥是汽车的“心脏”，约占汽车总重的18%。缸体是发动机中重量最重、复杂程度最高、生产难度最大的关键铸件，一般都超过发动机质量的1/4，甚至接近1/3。早在40 多年前，就已经有生产铝基体发动机气缸体的压铸机了。我国砂型铸造汽油机铝基体气缸体的历史至少可以上溯到30
8、多年前。现代汽车对发动机的要求是轻量化、功率大、省油、噪音小、无有害排放等，这些要求毫无疑问都要分解到各个零部件上，缸体是首选零件。发动机缸体轻量化的途径，首先是提高升功率，以降低发动机单位功率的质量，除了提高升功率以外，减轻单个零件的质量也是发动机轻量化的重要途径。目前，减轻传统的灰铸缸体质量有2条途径：一是改进结构；二是采用铝合金或铝基复合材料。1. 2 发动机缸体用的材料现代轿车发动机为降低燃油耗和达到排放法规的要求大多采用废气涡轮增压，而且在汽油机上还因提高压缩比和发动机在爆震极限附近运行，使得机械负荷也大大增加，特别是先进的轿车柴油机爆发压力已超过1 8MPa，对气缸盖的合金材料提出
9、了非常高的要求，同时为降低发动机种类和制作成本，以及必须考虑发动机零件良好的制作工艺性。对缸体铸件有如下要求：（1）有足够强度、刚度和致密性；（2）轻量化；（3）形状准确，尺寸精度高；（4）铸件内外表面光洁；（5）.有良好的加工性能。 在满足缸体性能要求的条件下，主要介绍几种较常见的发动机缸体的材料（灰铸铁、蠕铁、镁铝合金），并作做简单的对比。1.2.1 灰铸铁传统的发动机缸体的材料是灰铸铁。由于灰铸铁具有足够的强度、刚性，为气缸筒滑移表面提供了良好的摩擦学性能，并且有良好的铸造性、吸振性和加工性，生产成本低廉。所以，迄今绝大多数发动机气缸体都采用灰铸铁。但灰铸铁材料的最大缺点是密度大。传统缸
10、体的材质都选用高牌号灰铸铁，大多数为HT250级， 一部分为HT300级。1.2.2 蠕铁 随着发动机强化程度越来越高以及对发动机减重的要求越来越高，灰铸铁已经逐渐不能满足要求，为此最近几年蠕铁(CGI)气缸体越来越受到人们的重视。实际上蠕铁早在20世纪40年代就被发现，但由于石墨的蠕化工艺极其不稳定因此一直没有在发动机重要零部件上得到应用。蠕铁的疲劳强度几乎是灰铁2倍，因此在承受同样负荷的情况下，可以将气缸体壁厚大大减小，或者在采用同样结构尺寸的情况下承受更大的负荷。蠕铁的铸态稳定性非常好，可以在设计中采用较低的安全系数，这就意味着可以进一步减轻发动机质量。蠕铁的强度和刚度更好，可以改善缸筒
11、尺寸的稳定性减小缸筒的变形并进一步减小缸筒与活塞副的磨损，降低机油耗和燃油耗。蠕铁的强度更好，因此可以减小相关螺栓的旋合长度。用更短的螺栓和螺栓搭子意味着进一步减轻发动机质量。与灰铸铁相比，蠕墨铸铁缸体有如下优点：(1) 发动机功率 缸径变形小且均匀，并可降低活塞环的张力，能够减小摩擦，降低缸套的磨损和机油消耗；(2) 缸径的膨胀 缸径的膨胀小1828，因此可降低机油消耗以及有害气体的泄漏；(3) 缸径的圆度 蠕墨铸铁刚性高，所以装上缸盖后缸径的圆度比灰铸铁至少要好40；(4) 密封性 蠕墨铸铁缸体的缸径应变小，与灰铸铁相比漏气投机油消耗均大大降低；(5) 漏油 蠕墨铸铁的抛光好，发动机和压油
12、部件的漏油可减少20；(6) 轻量化 蠕墨铸铁的强度和刚性都高，留有改进设计、减轻重量的足够余地发动机缸体改进设计后，缸体重量减轻丁30；(7) 噪声、振动减振性与灰铸铁大致相同，而噪声减少818；(8)气缸间壁厚蠕墨铸铁强度可达灰铸铁的两倍，有利于壁厚的减薄。 蠕墨铸铁缸体的开发成功大大提高了铁质材料重新夺同其应用市场的可能性。目前限制蠕墨铸铁缸体发展的原因有：一是产品设计师对蠕铁了解不深，不可能根据蠕铁特点来改进缸体甚至是发动机的设计；二是铸造厂稳定生产蠕化率大于80的蠕铁尚有一定困难。同时蠕墨铸铁的密度也很大。在汽车“轻量化”压力下（有尽量高的功率比，即缸体质量(k)与发动机功率(马力=
13、735w)之比越低越好。该比值越低，表明缸体(或发动机)越轻，也就意昧着有更低的油耗和更少的排放），铝镁合金的应用越来越广泛。而且铝铸什生产技术日臻成熟，故铝铸造的发动机缸体越来越受瞩目。1.2.3 镁基体 镁合金在密度方面表现出明显的优点，但其刚度和强度较低。不过，在弹性模量和强度相对于密度的比值方面具有非常良好的结果，完全胜任轻型结构材料的角色。然而，由于其较大的热膨胀，如果没有相应措施，发动机运转时轴承间隙将会过度扩大，使得通过发动机的机油流量剧增，且声学激励明显加剧。此外，镁合金的耐磨性较差，不能满足气缸筒表面的要求。而且，它们的蠕变强度有限，而这种蠕变强度是设计中必须加以考虑的。这些
14、缺点可以通过改善结构加以补救，但这将使成本上升得更高。1.2.4 铝基体 1997年，欧洲生产的1500万辆小轿车和其它小型商用车中，只有77(1150万辆)的缸体采用灰铸铁件，而有23(350万辆)的缸体采用铸铝件。美国福特公司，1993年开始生产铝缸体，到1997年缸体产量已达50万套，占总量的12。 铝合金是汽车上应用最快和最广的轻金属，因为铝合金本身的性能已经达到质量轻、强度高、耐腐蚀的要求。铝合金通过强化合金元素使其强度大大提高，由于质轻、散热好等特性，完全满足了发动机活塞、气缸体和气缸盖在恶劣环境下的工作要求。铝合金气缸体、气缸盖压铸成形技术可以提高净化、精炼、细化和变质等材质质量
15、控制吗，使得铝铸件质量达到一致性和稳定性。另外，由于铝合金密度低、强度性能与灰铸铁相近，韧性却高于灰铸铁，且有良好的铸造性能。因此扩大铝合金应用可以明显减轻汽车的自重，降低能耗。灰铸铁，蠕墨铸铁和铝，镁基体的相关物理性能的比较如图1所示：图1 四种材料的性能数据第二章 发动机缸体的设计2.1 发动机缸体的产品图 所设计的发动机产品图如图2下所示：图 2 产品图2.2材料的选择 2.2.1基体的选择现代汽车生产和科学技术的发展，对材料提出越来越高的要求。而铝基复合材料质量轻，比强度和比模量高、抗热疲劳性能与耐磨性好。以铝基复合材料来制备发动机缸体在发动机轻量化，节能等各方面的要求；并且随着复合材
16、料的迅速发展而发展。本次发动机缸体设计的材料选用铝基复合材料，以A356铝合金为基体，SiC为增强颗粒。发动机基体铝合金A356的成分，如表格1所示表 1 基体铝合金A356的成分SiMgFeCuMnZnTi其他Al6.57.5O.20O.400.200.200.100.100.200.1591.15%铝合金的铸造性能（1）流动性 流动性是指合金液体的填充铸型能力。流动性大小决定合金能否铸造复杂的铸件。在铝合金中共晶合金的流动性最好。影响流动性的因素很多，主要是成分、温度以及合金液体中存在金属氧化物、金属化合物及其他污染物的固相颗粒，但外在的根本因素为浇注温度及浇注压力的高低。实际生产中，在合
17、金已确定的情况下，除了强化熔炼工艺外，还必须改善金属型模具排气及温度，并在不影响铸件质量的前提下提高浇注温度，保证合金的流动性。 （2）收缩性 收缩性是铝合金缸体铸造的主要特征之一。一般讲，合金从液体浇注到凝固，直至冷却，共分为3个阶段，分别为液态收缩、凝固收缩和固态收缩。合金的收缩性对铸件质量有决定性的影响，它影响着铸件的缩孔大小、应力的产生、裂纹的形成及尺寸的变化。通常铸件收缩又分为体收缩和线收缩，在实际生产中一般应用线收缩来衡量合金的收缩性。铝合金收缩大，铝铸件产生裂纹与应力的趋向也越大；冷却后铸件尺寸及形状变化也越大。 （3）气密性 铝合金缸体气密性是指腔体型铝铸件在高压气体或液体的作
18、用下不渗漏程度，气密性实际上表征了铸件内部组织致密与纯净的程度。铸铝合金的气密性与合金的性质有关，合金凝固范围越小，产生疏松倾向也越小，同时产生析出性气孔越小，则合金的气密性就越高。同一种铸铝合金的气密性好坏，还与铸造工艺有关，如降低铸铝合金浇注温度、加快冷却速度以及在压力下凝固结晶等，均可使铝铸件的气密性提高。2.2.2增强体的选择增强体：SiC颗粒 颗粒增强体的平均尺寸是3.5-10m，最细的为纳米级，最粗的颗粒粒径大于30m。在复合材料中，颗粒增强体的体积含量一般为15%-20%，特殊的也可达5%-75%。 按变形性能，颗粒增强体可以分为刚性颗粒和延性颗粒。刚性颗粒主要是陶瓷颗粒，其特点
19、是高弹性模量、高拉伸强度、高硬度、高的热稳定性和化学稳定性。刚性颗粒增强的复合材料具有较强的高温力学性能，是制造切削刀具、高速轴承零件、热结构零部件等的优良候选材料；延性颗粒主要是金属颗粒，加入到陶瓷、玻璃和微晶玻璃等脆性基体中，目的是增加基体材料的韧性。颗粒增强的复合材料的力学性能取决于颗粒的形貌、直径、结晶完整度和颗粒在复合材料中的分布情况及体积分数。 选用颗粒增强的优点是：材料的选择方便，成本低，易于批量生产。用纤维或者是晶须增强会增加成本，且不利于批量生产。常用的颗粒增强体的性能见表格2，表2 用的颗粒增强体的性能颗 粒名 称密 度/g.Cm-3熔 点/oC热膨胀系数/x10-6/oC
20、硬 度/9.8N.mm-2弯曲强度/MPa热导率/(W.m-1.K-1)碳化硅（SiC)3.2127004.02700400-50075.31碳化硼(B4C)2.5224505.733000300-500碳化钛(TiC)4.9232007.42600500氧化铝(Al2O3)20509.0氮化硅(Si3N4)3.2-3.352100分解2.5-3.289-93HRA90012.55-29.29莫来石(3Al2O3.SiO2)3.1718504.23250约1200硼化钛（TiB2）4.52980常用于铝基体中作增强颗粒的有：SiC、TiC、Al2O3等。本次设计选用SiC作为铝基复合材料发动机
21、缸体的增强颗粒，是从增强颗粒的性能（如密度，硬度等），制造成本等方面综合考虑。2.3 成型工艺2.3.1成型工艺的种类 材料选择的不同会使发动机缸体的性能不同，同样不同的工艺过程会使材料的性能不同，工艺的进步会带来产品技术的进步，可以直接体现在产品的性能、减重、成本、耐久性等各个方面。根据不同产品的需要进行合理的选择，由于本次设计主要对象是铝合金，故主要介绍铝合金缸体的铸造工艺。铝合金缸体的铸造工艺从原理上可以分成多次使用的铸型（金属型）和一次使用的铸型（砂型）。砂芯的制造方法也有所不同。当今在大批量生产中最为常用的是砂型重力铸造和压铸。砂型重力铸造在成型方面提供了最大的自由度，可以采用封闭的
22、气缸盖连接面（闭式顶板）。如果生产件数较高，那么压铸是一种经济的解决方案。现在对于铝气缸体的铸造方法很多，包括压力铸造、低压铸造、金属型铸造、砂型铸造、COSWORTH、消失模铸造等，并有很多衍生的铸造工艺。2.3.1.1 压力铸造压铸能以很短的节拍、精细的表面质量和精确的尺寸实现铸件薄壁结构。然而，由于熔融金属充型压力很高不能使用砂芯，水套通常必须往上敞开（开式顶板）。这意味着气缸筒缺乏径向的支撑。但是，即使如此也未必会导致气缸筒严重变形。此外，压铸快速的充型过程易导致气泡的生成，充填型腔的铝液流速高而引起的紊流将空气和氧化膜卷进铸件结构中,使铸件的内部致密性差。这个缺点可以利用挤压铸造加以
23、避免，因为这种工艺采用的压力较低，使得充型过程明显地减缓，有可能进行补缩。以下途径可以改善压力铸造的缺点:(1) 在压室和压型中采用真空;(2) 采用更科学、更合理的浇注系统;(3) 采用半固态金属来代替液态金属。2.3.1.2 低压铸造在装有合金液的密封容器(坩埚)中，通入干燥的压缩空气(或者惰性气体)，作用在保持一定浇注温度的合金液面上，造成密封容器内与铸型型腔内的压力差，使合金在较低的充型压力(0.01-0.05MPa)作用下，沿着升液管内孔自下而上地经升液通道、铸型浇口、平稳地充入铸型中，待合金液充满型腔后，增大气压，使型腔里的合金液在较高的压力作用下结晶凝固，然后卸除密封容器内的压力
24、，让升液管、浇道内尚未凝固的合金液依靠自身的重力回落到坩埚中，再打开铸型取出铸件（工艺过程如图3）。低压铸造的优点：1）铸造材料利用率非常高，可以大幅度降低材料费和加工费。2）容易形成方向性凝固，内部缺陷少，可以获得完美铸件。3）可以使用砂芯。而这种方法的缺点是生产率低,因充型时间仅需5 s15 s ,保压时间则需3min6min ,整个生产循环达10min11min。大量生产轿车缸体、缸盖时,需要多台机器和多套模具。 图 3. 低压铸造示意图2.3.1.3 COSWORTH方法COSWORTH铸造工艺实际上是砂型铸造的一种，只不过采用了密度和铝非常相近的锆砂并采用电磁泵加压并对浇注过程进行精
25、密控制。Cosworth 法（图4a,b）：将铝液从保温炉输送到型腔中时没有能形成新的氧化膜的搅动;型腔的充填由计算机控制,由于型腔的充填是采用底注的,因此要求电磁泵连续地向型腔供应铝液直至铸件完全凝固为止。以代表性的缸盖铸件为例,充型和凝固时间约为4.25min ,其中充型时间仅为10 s12 s。电磁泵的利用率低，经过改进的Cosworth 倾转法（图4b)， 是从铸型的侧面注入铝液直至型腔被充满为止。随后将整个铸型倾转, 此时电磁泵仍在工作, 当铸型被倾转180后电磁泵开始降低压力以便处于横浇道中的铝液返回到电磁泵的浇注管中,铸件则在具有热的铝液的冒口作用下进行凝固。图4 COSWORT
26、H方法与其他铸造工艺相比COSWORTH工艺用于气缸体设计具有以下优点：a结构设计可以非常灵活，对气缸体的结构设计几乎没有任何限制，在设计中可以考虑将包括油道水道、回油孔等细小的结构直接铸造出来，大大降低机加成本。b由于采用锆砂其密度和铝非常接近而其热膨胀系数和普通的硅砂相比又非常小，因此COSWORTH铸造工艺可以实现非常高的铸造精度，气缸体各处壁厚控制可以非常均匀气缸体设计时就可以少考虑铸造偏差对气缸体性能的影响，铸件的废品率也比较低。图7所示为锆砂和硅砂以及铸铁热膨胀率的对比从图中可以看出，锆砂的热变形率只有硅砂的1/6左右，并且在温度高于500以上时热膨胀率没有突变。c采用COSWOR
27、TH工艺可以很好地控制重要部位的铸造质量，保证在这些部位没有或者少有铸造缺陷。例如采用COSWORTH方法可以非常严格地控制气缸体主轴承座，相邻缸套之间部位的铸造质量。 2.3.1.4 金属型铸造 金属型重力铸造工艺特点是将液体金属用重力浇注法浇入金属型形成铸件，铸件品位比铝合金砂型铸造好，是生产较高质量铸件的传统方法。国外铝缸体金属型重力铸造生产线包括：1）多工位转台或多工位直列式大批量铸造系统；2）通用型液压全自动控制的金属型重力铸造机；3）全自动浇注机器人、全自动下芯机械手和全自动取件机械手等辅助自动化系统；4）配合自动化生产的多种物流输送管理系统；5）适宜多种制芯工艺而无需焙烧直接落砂
28、的双工位高频振动落砂机；6）多工位水密压力检测设备。2.3.1.5 消失模铸造 消失模铸造的基本原理是将与所需铸件形状完全相同的泡沫塑料模型浸涂耐火涂层后，直接放入可抽真空的砂箱内，填入不含粘结剂的干砂，低幅高频振实，然后砂箱抽真空使砂子紧固成铸型。浇注时在液态金属的热作用下，泡沫塑料分解气化，金属液取代原来泡沫模型所占据的空间位置，在随后的凝固过程结束后获得所需的铸件。它适用于生产各种材质的铸件。消失模铸造采用遇液体金属后即气化的泡沫塑料作模样,无分型面,不用取模,不用砂芯,采用无水分、无粘结剂、无附加物的干砂造型,可以生产薄壁、零度拔模斜率的复杂铸件,还可直接铸出螺纹及曲折的通道，可以减少
29、机械加工工序。消失模铸造可以生产出薄壁、零度起模斜度的复杂铸件，并可直接铸出螺纹及曲折的通道，可减少机械加工量及加工工序。2.3.1.6 精确砂型铸造常温下在芯盒内通气快速硬化砂芯的“冷芯盒”制芯技术的应用,使制芯生产率和砂芯尺寸的可预见性得以提高,精确砂芯组芯造型(即精确砂型) 一定程度上取代常用于生产铸铁及铸铝汽车件的粘土砂型及金属型。德国Alucast 铸造厂采用1 种独特的方法来进行冷芯盒砂芯的组装。先制好的1 底盘砂芯滞留在第1 套芯盒的下芯盒内。该底盘砂芯的下芯盒就作为输送“夹具”逐次通过生产线上的每1台射芯机, 利用芯盒上精确的定位销、套系统进行自动砂芯装配(图5) 。每台射芯机
30、生产相应的1 层砂芯,除第1 台射芯机外,其余的射芯机皆将制造的砂芯滞留在上芯盒中,以便进行由上而下的组装。 图 5 自动砂芯装配图 2.3.2 成型工艺的选择针对本次设计选择高压铸造技术，缸体压力铸造的实质是在高压作用下，使液态或半液态金属以较高的速度充填压铸模具型腔，并在压力下快速成型凝固，以获得优质铸件的高效率铸造方法。它的基本特点是高压(5-150MPa)和高速(5100m/s)。充填时间很短，一般在0.010.2s范围内。压铸的主要特点是生产率高，平均每小时可压铸50500次，可进行半自动化或自动化的连续生产。产品质量好，尺寸精度高，强度比砂型铸造高20-40。但压铸设备投资大，制造
31、压铸模费用高、周期长，只宜于大批量生产。生产中多用于压铸铝、镁及锌合金。与其它缸体铸造方法相比，缸体压铸有以下三方面优点：首先是产品质量好。缸体铸件尺寸精度高，一般相当于67级，甚至可达4级；表面光洁度好，一般相当于58级；强度和硬度较高，强度一般比砂型铸造提高2530，但延伸率降低约70；尺寸稳定，互换性好；可压铸薄壁复杂的铸件。例如，当前锌合金压铸件最小壁厚可达O.3mm；铝合金铸件可达0.5mm；最小铸出孔径为0.7ram；最小螺距为075mm。 其次是生产效率高。例如国产J3型卧式冷空压铸机平均8h可压铸600700次，小型热室压铸机平均每八小时可压铸30007000次。压铸模具寿命长，一套压铸模压铸铝合金，寿命可达几十万次，甚至上百万次。 第三，经济效果优良。由于缸体压铸件尺寸精确，表面光洁等优点。一般不再进行机械加工而直接使用。所以既提高了金属利用率，又减
