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铝合金汽车缸体压铸技术
来源: 阅读次数:1065 时间:2016-11-11 |
一、 压铸与汽车工业
近年来,汽车产业持续快速发展,汽车保有量大幅增加。汽车业的发展在给人们生活带来方便的同时,也造成了能源消耗、环境污染等问题。节约能源及减少尾气排放已成为目前汽车发展过程中的首要问题,世界各国都给以高度关注。汽车减重是节能与减排的重要措施,汽车重量每减轻10%,大约可实现节油5-10%。欧盟和美国新一代汽车的目标是3l / 100kg油耗,要求汽车整车的重量减少至原来的40 %~50 %。汽车减重后除可大幅节约能源外,还能减少尾气排放。以轻合金零件代替钢铁零件可以显著减轻汽车重量,因而铝合金在汽车中的应用逐年增加。西欧从1990年至2000年间每辆轿车的铝合金平均用量从50公斤上升至100公斤,年增长率约达7%,预期至2015年将达到200公斤,如图1所示。
在车用铝合金铸件中,压铸件占据了绝大部分份额。而在压铸件总量中,车用压铸件占据了绝大部分份额,有的国家高达70%,甚至接近80%。如此巨大的份额,足见汽车工业在压铸业中的重要地位,也说明压铸业在汽车轻量化进程中的促进作用。
二、 缸体压铸特点
发动机占轿车重量20 %以上,采用铝合金代替铸铁生产缸体对汽车减重意义重大。现有多种工艺方法生产铝合金缸体,但铝合金缸体压铸是21世纪初在中国最引人注目的压铸项目之一。多年来,欧美和日本的大多数汽车公司已经采用压铸方法生产铝合金发动机缸体。在国内,用压铸方法生产铝合金发动机缸体目前也成为一种趋势。
相比传统的铸造,压铸缸体有以下优点:
1、 效率高。在所有的铸造方法中,压铸是一种生产率最高的方法。这主要是由压铸过程的特点决定的,且随着生产工艺过程机械化、自动化程度进一步发展而提高。生产一个缸体的时间一般为3分钟左右或更短,相对传统的低压或者砂型铸造省时省力;
2、 精度高。只需个别部位加工即可使用;
3、 铸件的强度和表面硬度较高;
4、 节能省耗。一般每台设备每年可生产7万件左右;
5、 占地面积少。
6、 工艺路线短。传统的铸造工艺,缸体生产需要经过造型、制芯、浇注、冷却、落砂、清理、机加,热处理等诸多工序。而压铸则只需提前加工模具,浇注后很快将缸体毛坯铸件从压铸岛中取出,去除飞边毛刺后进行检验、加工等便可。
压铸也有一定的缺点:
1、 铸造缺陷较多。由于液体合金充型速度极快,型腔中的气体很难完全排除,常以气孔形式存留在铸件中。另外,压铸填充过程中的氧化夹杂等,如果集渣包等设计不合理,容易残留在产品内部;
2、 压铸初次投资较高。有统计,如果生产的缸体数量低于10万个的话,低压铸造或砂型铸造的成本低于压铸。
三、缸体图片及压铸岛布局
排量在2.0以下的汽车缸体一般为直列3缸或四缸,而大于2.0排量的缸体则可能为直列六缸或V型六缸。
目前来讲,一般的压铸岛(压铸机和周边设备一起统称为压铸岛)布局比较复杂,而且没有标准的布局格式。每个压铸厂家都会根据自己生产的经验和特点提出一些与众不同的布置,从而方便生产。但是压铸岛的基本周边设备如下:
1、 压铸机。吨位从2200吨到4400吨不等,主要由产品投影面积和增压压力决定;
2、 铝合金融化炉,或者铝合金保温炉。吨位一般在两吨左右,由产品重量和生产节拍决定;
3、 喷涂设备。或者采用双轴式喷涂,或者采用机器人喷涂。喷嘴的布局和喷头结构要求高,要能保证喷涂的质量;脱模剂的容器需要足够大,否则脱模剂添加过于频繁;
4、 取件设备。一般采用机器人取件。因为轴数太少,普通的简单取件手不能满足要求,且无法实现自动化运行;
5、 风冷架或水冷箱。根据厂家的要求、经验和缸体的特点而定。
6、 切边机。用于去除集渣包和浇道等。
7、 缸套输送带。缸套作为镶嵌件需要用输送带送达相应位置,由机器人放入模具。
8、 模温机。因为缸体生产对模具温度要求很高,模温机是不可或缺的。
四、缸体压铸工艺要点
首先,应该合理设计缸体压铸件的浇注系统。通常缸体压铸件的浇注系统有两种形式:单侧浇注系统和双侧浇注系统。单侧浇注系统一般适于小型缸体,双侧浇注系统一般用于大型缸体。浇注系统应注意沿金属液流动方向逐步缩减,以减少气体卷入。齿形激冷排气块排气集渣效果良好,获得广泛使用。齿形排气道的厚度大致控制在0.6mm以下。
缸体压铸件质量对压射工艺参数的变化非常敏感。速度过高容易造成铸件中的气体增加,过低则容易造成充填不良现象。压射压力过低,铸件中气孔、缩孔等缺陷增加。压力过高,飞边及毛刺等增加,对模具损害也大。压铸过程中应十分小心调整工艺参数,采取合适的压射速度、确定合理的速度转换位置,使型腔中的气体尽量排出,使残余气体在铸件内部呈弥散分布状态,而不至于穿透铸件断面,形成泄漏。此外,应注意及时增压,在凝固之前对铸件进行有效压实。实际上,缸体尺寸大、结构复杂、壁厚差异大,很难选取一个好的工艺规范。通常,缸体压铸的慢压射速度控制在0.2m/s左右,快压射速度控制在3-5m/s,或者填充速度控制在30-50m/s,压力一般不低于70MPa。
缸体压铸对压铸温度更为敏感。对于常用合金,金属液的温度要控制在640℃~680℃之间,模具的温度喷涂后控制在150℃~200℃之间。要使用模温机对模具温度进行控制,实际上,模温机已成为缸体压铸中不可缺少的辅助设备。同时要设置足够的冷却/加热管道,保证对模具温度的有效控制。推荐采用独立进、出水冷却方式并且可调,冷却水可以按要求流量直接到达要求冷却的部位,充分发挥冷却作用。动定模温差不能过大,否则容易造成铸件热应力增大,出现开裂现象。
脱模剂对缸体压铸至为重要。好的脱模剂除去可以控制模具温度分布外,还可以减少开模时的摩擦力,避免粘模现象发生。尤其在模具温度偏高时,更应注意脱模剂的合理和有效使用。
除去前述各因素外,合金液的质量也是不可忽略的。应充分注意合金液质量,避免合金污染,必要时应进行除气和精炼处理。真空方法也是缸体压铸一个有效的质量保证措施,但会增加额外工序。目前许多压铸厂在生产缸体时未采用真空方法,也能压铸出合格产品。
缸体压铸件的缺陷主要包括气孔、缩孔、冷隔、裂纹、夹渣等,严格遵守工艺规范及操作规则是控制缺陷产生的根本手段。
五、布勒缸体压铸技术
瑞士布勒公司于上世纪末开始缸体压铸技术开发。充分利用自身压铸机优势,在缸体压铸方面形成了成熟技术。
1. 压铸机性能保证
布勒压铸机以下性能满足缸体压铸要求:
• 压射缸采用双油路系统,可独立动作;
• 多重蓄能器可提供持续强劲的压射能量;
• 系统压力210bar;
• 动态压力大,运行稳定;
• 压射冲头空压射速度可达10米/秒;
• 压射冲头从低速到高速的转化时间低于10毫秒;
• 独有的压射阀的反馈时间小于3毫秒。
• 置于出口端的一个稳固的控制阀控制整个压射阶段;
• 传感器取样速率4800Hz (压力、行程及模具传感器);
• 数字式实时控制,SC阀高动态响应(5000次/秒) ,世界最快。
2. 长期的生产经验
布勒公司开展缸体压铸较早,积累了丰富的经验。对各种工艺因素对缸体压铸件质量的影响进行了大量的统计,对容易产生缺陷的部位、缺陷产生的原因、缺陷消除措施以及工艺优化等方面具有充分的理解。
3. 流动分析及热分析
成功的缸体压铸技术关键还在于有效的流动及热分析,从而通过各种工艺措施对其进行有效控制。布勒使用模拟软件对缸体充型及凝固过程进行了大量模拟及分析工作,充分了解不同工艺条件下各种缸体型腔中金属液充型及凝固行为。
4. V型发动机缸体压铸
V型发动机缸体压铸主要是缸套部分的抽芯比较困难,其余部分和直列的缸体并无太大区别。比较简单的解决方法是在动定模板之间添加第三块模板,且称为中模板。中模板和动模板之间用液压连接。开模时,先打开动模板,然后抽芯,然后再打开中模板。之后上下左右滑块打开,这样就可以顺利把缸体从模具中取出。
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