发动机缸体铸件

为了减少燃料消耗和废气排放,需要不断开发具有最新技术水平的高性能发动机。但在达成这一目标的同时也应维持经济效益(即,成本下降)。在车辆供应商的支持下,制造商投入了大量资源进行研发并将其运用在批量制造中。  


一般来说,修改方案因内燃机和外燃机而有所区别。在车辆中通过催化剂或柴油颗粒过滤器处理后连续导入废气是改善废气排放的重要手段。当前的趋势是使用智能控制回路,如优质12缸发动机的自动起动——停车系统和部分气缸关闭装置。修改内燃机会改变曲轴箱,因此对车辆零件铸造厂的要求也将改变。 
曲轴箱是发动机中最大的组件,因而备受关注,通过减轻它的重量可降低能耗。对此,我们获得的经验是:如果客车的质量减小100 kg,那么燃料消耗将下降0.3升/100 km。因此,曲轴箱的材料研发极其重要。材料的密度和动态强度特性是组件质量的首要影响因子。相对来说,作为曲轴箱传统材料的铸铁已变得不合时宜。

近期才出现的铝合金曲轴箱批量生产已成为了乘用车的转折点。原则上,与铝相比,标准型铸铁的致命缺点是它具有7.2 g/cm3的高密度。今天,卡车的曲轴箱基本上还在用铸铁制造。而在大型乘用车的曲轴箱材料选择上,这两种材料仍处于竞争状态。 
下一个转折点是所谓的“小型化”。小型化采用容量较小但功率相同的发动机代替大体积的发动机。可以通过采用发动机重量相同但功率更大或容量相同但功率更大的方式减少燃料消耗和废气排放。因此,功率对重量比和每升功率输出是衡量小型化的重要的特征值。这些值可通过发动机增压加以改善。
自然吸气发动机正在逐渐向增压和双增压发动机演变。相关的单元包括增压器和涡轮增压器。对于适当的车辆来说,可以用带有双增压的高性能4缸直列式发动机代替自然吸气6缸发动机。这种做法也称为汽缸小型化。缸数越少表示摩擦越小、曲轴箱越小、汽缸头越小、轴承盖越少,从而也实现了总重量的减小。一般来说,通过增压方式增加点火压力会增加曲轴箱的负荷。为了抵消增加的负荷,缸壁应更厚。然而,较厚的缸壁也就意味着重量增加,且燃料消耗升高。所以我们需要具有更大强度的材料,因为它们不会损害增压带来的优势。因此,小型化不仅涉及密度,而且还应考虑材料强度。这是铸造企业和其供应商在研发工作中应重点考虑的领域。亚世科致力于改善通过造型材料的散热性能来提高强度的研发工作。除了材料的化学组成外,组件强度还取决于造型材料的热物理属性。


开发轻量化设计的新方法

  • 由铸铁结构与铝合金复合物制成的曲轴箱混合材料(Gießerei Halberg Guss 与VAW mandl & berger)
  • 由铝合金与镁合金制成的曲轴箱混合材料(BMW AG、Gießerei、Landshut)
  • 低密度铸铁- < 6.8 g/cm3(Gießerei、Halberg、Guss)

 

发动机缸体铸件的系统解决方案

浇铸时,无法通过单一制造步骤获得公差尺寸极小的缸筒表面拓扑结构、螺纹、极薄油道和区域。为此,我们使用了机械加工,但为了保证加工成本尽可能低,近终型铸造仍是浇铸类型的关键要求。标准化铸件公差是基础,同时它也取决于铸造方式。

  • 尺寸的灵活性:所有尺寸的曲轴箱均可使用砂铸法制造;不论是用于乘用车的3缸曲轴箱还是用于卡车的最大型曲轴箱。
  • 几何形状的灵活性:曲轴箱腔体的设计自由度远高于压铸法。
  • 时间的灵活性:相比于压铸法,可更快并以更具经济效益的方式更改几何形状和样件。


考虑整个制造过程时,曲轴箱的“诞生”始于铸件最初的造型工艺。使用金属模或易耗模是主要产生区别的地方。在曲轴箱的制造中,普遍使用砂结合制作易耗模,即砂铸,因为它是在综合了最高灵活性水平的情况下兼顾优异经济效益的一种铸造方法。
在砂铸法中选择造型基础材料和粘合剂显得非常重要。该方法的名字也即源于此。在组芯造型法中,整个几何形状均由砂芯体现。涂覆砂芯表面时需要考虑熔化物的粘度特性、熔化物的压力、填充速率和浇铸温度范围。涂料(即耐火材料颗粒和水的分散液)用于铸铁,粉末状的砂芯涂料则用于铸铝。 
在砂铸法中,至少一个主要的外形轮廓由膨润土粘结表示。然而,由于膨润土粘结砂模中还有其他砂芯,所以这个主轮廓还可能包括用于辅助和附属设备(如水泵外壳)的凹槽腔。这两种浇铸类型均可在铸铁领域中见到。


用铝合金制造曲轴箱的首选方法是组芯造型法。在铸铝中,增加的氢含量会导致铸件产生缺陷。模型会随着熔化物的冷却而升温。其中含有的粘合剂将受热并挥发出气体,气体经由造型材料的小孔流向模型与熔化物之间的边界。如果气体中含氢,那么气体将跨过边界并进入模型中。由于铸铝对氢非常敏感,所以要求粘合剂不挥发含氢气体。当使用膨润土粘结时,会释放水蒸气,所以可将组芯造型法用于铸铝作为预防措施。
除了技术要求,如足够的模型强度和耐磨性,环境保护也越来越成为人们关注的焦点。排放气体的成分、排放的量及其气味应更加环保。亚世科化学在研发高反应性粘合剂和无机粘合剂的道路上树立了里程碑。
从以下实例中可以看出,浇铸工艺中最初粗略设定的参数来自上文罗列的特征,即设计、立方容积、缸数、汽缸排数、汽缸排角、“开放式水道”或“封闭式水道”。汽缸排角为90°的V型发动机通常要求使用组芯造型法。在其它情况中发生的切口问题可通过组芯中的“核心芯”解决,这个“核心芯”表示汽缸排之间的间隙。与此不同的是,汽缸排之间具有极窄角的6缸V型发动机可以使用铸铁采用水平线造型铸造而成且不需要组芯,因为这种设计不涉及在汽缸排之间布置腔体。模型的立方容积和尺寸之间的关系可作为第三个实例:在制造供具有12升立方容积的V型发动机的卡车曲轴箱使用的砂芯时,需要适当大小的芯盒和外模。对于1.4升客车来说,可以用同一个芯盒同时铸造发动机。

浇铸工艺的粗略参数还包括浇铸位置。如果缸筒大部分平行于水平模型隔壁,那么采用的就是水平线造型位置。如果缸筒与水平模具隔壁成90°的角,那么铸造位置则为垂直线造型位置。垂直线造型位置只出现在组芯造型法中。


材料要求


在几十万公里的行程中或长达多年的时间内,曲轴箱将不断承受局部合成的负荷。这种局部合成负荷是由作用于组件上的压力与来自燃料循环的气体力、动力循环的反应力和弯曲及螺纹接合的负荷组合而成。此外还存在内力,它们来自热膨胀、内部应力、组件自身的重力、组件上的螺接件(如曲轴和汽缸盖)的重力和附加零件通过螺纹连接传递的热膨胀力。
最高的热应力通常存在于盖板的连接板区。为了使水和润滑油沿路穿过组件,曲轴箱的载液管道在压力紧密性、洁净度和渗透性方面都需有较好的表现。因为承担了活塞制导任务,所以缸筒必须是摩擦系统的一部分。这个系统就是缸筒/润滑油/活塞环系统。因此,缸筒的表面膜应当具有适当的摩擦属性。其目标是低摩擦损耗、低磨损和低润滑油消耗。
对材料的要求来自负荷情况、车辆制造商的生产作业和环境情况:

  • 材料制造的CO2当量——低
  • 机械加工性——高
  • 交变弯曲应力下的疲劳强度——高
  • 工作温度下,在交替应力下的疲劳强度——高
  • 密度——低
  • 气密性——高
  • 压缩强度——高
  • 自然振动阻尼——高
  • 弹性模量——高
  • 容许的表面压力——高
  • 制造工序的总成本——低
  • 耐腐蚀性——高
  • 抗蠕变性——高
  • 缩孔倾向和夹渣倾向——低
  • 再循环性——高
  • 热膨胀系数——尽可能接近机轴材料
  • 耐磨性——高
  • 热传导性——高

不存在100%满足上述要求的材料。因此,铝合金与铸铁合金仍在相互竞争,而且这种竞争将随着新的轻量化设计研发方法的出现而加剧。


常见铸件缺陷和适宜的补救措施

在这方面需要特别指出一些典型实例:
当为了在汽缸之间获得较小间隙而设计曲轴箱时,汽缸台阶区域会出现问题。缸筒经过加工后,会暴露多余的腔体。在水平线铸造时,这种情况主要发生在水套的芯头层面。加上不适宜的熔化物流动,芯头很可能助长气泡的形成,并阻碍其消退,这些气泡由砂芯气体或在充型时截留的空气形成。解决的方法是在早期的产品研发阶段就确定芯头的位置和类型。问题在于是否能使芯头在缸筒中向下移动,以使缺陷的位置低于关键的活塞活动区。另一个问题是在组件的研发阶段能否将组芯造型法引入垂直线铸造位置。使用这个铸造位置时不需要水套中的芯头。组芯造型法的另一个优点在于它可以轻易跟踪,因为砂芯的自动标记会被传递到铸件。在砂芯制造参数中,可以更加深入地实施工艺监测,并对铸件缺陷的成因进行分析。然而,在组芯造型法中还应检查不受控渗液是否被限制在铸铁区域。

管道中的常见铸件缺陷有:

  • 管道通透性不足
  • 残留污垢含量过高
  • 油道和水套的密闭性不足

以脉纹形式出现在油道中的有害变形会导致通透性不足,造成铸件无法承受完全封闭的情况。小型化使得油道倾向于以更为复杂的方式扭曲,如此一来,检查和重制在浇铸清洗室中的管道将变得更加困难。合适的补救措施包括改变砂芯颗粒、添加剂和适配涂料的特性。
固化后,浇铸工艺还并未完成。砂芯的出箱工艺和脱模也不容小觑。例如,在水套极薄极深的情况下,可能需要使用开口来移除型砂。在机械加工后的另一个制造步骤中,可用金属片覆盖物封闭这些开口。在起草这个概念时,还应查询在盖板中的开口大小,以便在设计中确定砂芯移除能力。砂芯移除能力是粘合剂体系研发中一个特别重要的领域。这个能力还应与残留污垢的量相协调。残留污垢的量是指用于造型工艺的材料在整个工艺结束后残留在型腔中的百分比。疏松的残留污垢颗粒会在发动机运作时进入油中,最坏的情况是会出现极大的颗粒,它将缩短轴承寿命。因此,对于2.0升乘用车来说,曲轴箱需要留出500 mg用作预防措施。亚世科化学与各个铸造企业合作为研发可减少化合物形成的涂料做出了巨大的贡献。

在确定补救措施时,重要的是分析成因。为此,亚世科化学使用了自有的模拟软件。通过模拟凝固过程可以分析缩孔的成因。但如何解决因气泡导致的铸件缺陷呢?亚世科化学针对这个问题率先进行了大量研究。我们划时代地引入了适当的模拟软件,为解决局部气体量和边界气体压力的相关问题指明了方向。此外,值得一提的是高反应性粘合剂体系的研发。由于具有高反应性,所以需要的粘合剂量将下降,较低的粘合剂含量就意味着在模型与熔化物之间的边界上气压较小。我们利用模拟工具和现代粘合剂体系的辅助来做出决策,避免了偶然性。如果将这些技术应用于产品早期的研发阶段,将有助于避免把缺陷带入后期阶段。越迟消除缺陷,遭受的经济损失就越大。

浇铸时,无法通过单一步骤就获得具有极小尺寸公差的缸筒表面拓扑结构、螺纹、极薄油道和区域。针对这个问题,我们使用了机械加工,但为使加工成本尽可能低,近终型铸造仍是浇铸类型的关键要求。标准化铸件公差是基础,同时它也取决于浇铸方法。

对模型、砂芯、材料和铸浇铸类型的要求
对铸造的品质管理为内部、外部、显性和隐藏的曲轴箱铸件缺陷提供了参照数据。一般来说,造成组件无法可靠工作的有害腔体和变形均被视为缺陷。砂铸法主要关注的是缸筒、油道和水套的功能组。通过小型化和减小发动机安装空间以节省材料的做法导致了对铸造要求的提高。在分析有害腔体的成因时,我们经常用到两种解释方法,本文以高度简化的术语概括了这两种解释。第一种有害腔体是由收缩导致,即缩孔,它是在金属从液体聚合态转变为固体聚合态的过程中因体积不足造成的。第二种有害腔体是气泡,气泡可在凝固期间被截留并被金属包围。模型会因熔化物的冷却而升温,在此过程中,其中所含的粘合剂将受热并挥发出气体,气体再经由造型材料的小孔流向模型与熔化物之间的边界。如果气体的压力足够高,它们就能进入熔化物并形成气泡。实际上,缩孔与气泡之间还存在多种过渡形式。