发动机壳体产品技术工艺发展分析

第一节 发动机壳体技术基本生产技术、工艺或流程

发动机壳体生产工艺流程

第二节 新技术研发、应用情况

这几年，压铸模品种、产量、综合设计水平，产品的复杂、精密程度，模具的大型化，以及企业的工装设备，工作环境，加工和检测手段等均有很大提高，应该说是我国有史以来提升最迅速的时期。但是压铸模的制造总体来说与国外先进工业国家相比差距还很大，大致相当于他们90年代末的水平，模具结构复杂些的还多是步人后尘，以造复制模为主，创新点不多。制造过程中普遍存在质量控制不够严谨、制造精度差些，以及设计时对模具的热平衡分析、冷却系统设置、零件的快换、安装的快捷、生产的安全性等方面考虑欠周全，模具使用时稳定性不高，故障率大。

1、普遍实现了CAD／CAM，CAE越来越得到重视

CAD／CAM一体化技术的实现，使模具行业发生了革命性的改革，实现了企业的技术信息的快速传递和技术资源的共享，提高了零件加工精度和互换水平。近年来，不少厂家还通过采用CAE技术，进行模拟金属的充填过程，模具温度场的分析，预测成型过程中铸件可能产生的缺陷及模具强度的分析，来验证模具的流道、溢流、冷却、排气系统及模具结构的设计方案，实现设计优化，减少设计的失误，缩短试验时间。能否成熟地运用CAE技术到模具设计和生产上，将成为当今压铸模制造厂家技术提升的新热点和企业实力的一个重要标志。国内所使用的软件仍以外国软件为主，如：AutoCAD、Pro/E、UG、CATIA、Cimatron、PowerMILL等，分析方面较多使用的软件是Magmasoft(德国)、FLOW-3D(美国)、ADSTEFAN(日本)等。我国不少高等院校对此也进行长期的研究和开发，如华中科技大学、上海交通大学、清华大学、华南理工大学等。企业在应用上也取得可喜的进展，重庆渝江新高模具有限公司几年前已建立了CAD／CAE／CAM计算机网络，模具制作全过程实现无图纸化生产；一汽铸造模具厂模具3D设计已达到95％；广州市型腔模具制造有限公司与欧洲同行联合设计电梯梯级压铸模以及一汽铸造模具厂与加拿大同行联合设计发动机齿轮箱壳体压铸模，着重在流道的设计，吸收了国外模具设计的新理念，优化了方案，收到了很好的效果。采用信息技术带动和提升模具企业的传统生产是必然趋势，并越来越显示出强大的优越性。

2、设计和制造大型复杂压铸模的能力大幅提升，国内已具备了制造大型复杂压铸模的能力

近年来为适应铸件大型化的需要，国内大吨位压铸机拥有量剧增，大型、复杂压铸模需求量得到扩大。几年前用在超过15000KN压铸机上用的模具基本都是从国外引进。1998年无锡模具厂研制成功我国第一套国产化的“电梯梯级”压铸模具，该模具在25000KN压铸机上使用，重量超过2O吨，开创了大型压铸模具国内制造的先例，为我国制造大型“电梯梯级”压铸模具积累了经验和教训。但是，汽车行业所使用的大型压铸模只是在本世纪国内才开始制造。2000年广州型腔模具厂自行设计和制造了“F15变速箱壳体”压铸模具，该模具在18000KN或25000KN压铸机上使用，模具重20吨。2004年一汽铸造模具设备厂成功地设计、制造了在34000KN压铸机上使用的“中间壳体——变速箱”压铸模，模具重达33.5吨。2005年广州市型腔模具制造有限公司研制成功“康明斯发动机的飞轮壳” 压铸模，该模具在35000KN压铸机上使用，模具重32吨，模具上有六个均用油缸抽拔的滑块，结构比较复杂，通过CAE软件进行分析后大胆采用中心浇口在冷室压铸机使用的设计方案，填充时金属流动畅顺，产品成品率高；2OO7年该公司又独立设计和制造了当前我国单套最重(40吨)的汽车壳体压铸模。2OO5年北仑辉煌铸模实业有限公司成功制造了在35000KN压铸机上使用“汽车油盘”大型压铸模。宁波臻至机械模具有限公司亦生产过配在34000KN压铸机的模具。在这里还不得不提到的是：被誉为汽车的心脏——缸体的压铸模的开发及制造近两年来有所突破，汽车缸体模属于目前大型汽车压铸模中技术难度最大、技术含量最高的一类，模具在20000KN——30000KN压铸机上运行，单套模具重量一般在3O吨左右，使用中对生产效率和产品合格率要求特别高，国内各大汽车制造公司一直以来都不惜重金从国外引进模具，自从上海乾通汽车附件有限公司制作了国内第一套白用的四缸缸体压铸模为开端，先后有共立精机(大连)有限公司、象山同家模具制造有限公司、广州市型腔模具制造有限公司等实力较强的模具制造商在研究和制造。经过近十来年的努力，锁模压力在20000KN以内的压铸机上使用的大型汽车模具，如：汽车离合器、变速箱、油底盘以及大型灯罩壳体等压铸模目前完全可以在国内制造，模具的水平和使用效果基本能满足产品需要。

3、新技术、新工艺、新材料的大量采用

压铸模水平的提高有赖于新技术、新工艺的采用：不少厂家采用高速加工中心机床高速切削加工淬火后的型腔镶块、采用石墨加工中心加工电极、采用慢走丝线切割机加工型位及孔、采用合模机进行模具修研装配、采用三座标测量仪检测尺寸。此外，真空压铸技术、使用恒温器保持模具的工作温度的恒温技术、采用局部加压装置的设计、氮气弹簧的选用、模具零件加工时的在线检测、模具冷却系统的研究、压铸镁合金所用的模具的研制、模具使用的可靠性、稳定及人性化的研究以及型腔镶块采用多种表面强化处理(氮碳共渗、硫氮碳共渗、氧化、物理气相沉积)等先进制造技术不断地尝试和推广。

目前压铸模镶块材料70％以上选用H13类钢，其余的是3Cr2W8V或其他优质热作钢。钢材冶炼方法有普通冶炼、电渣重熔、真空重熔等，锻打方式有2D锻打和3D锻打。力求材料洁净度高、组织偏析少、晶粒细、各向同性优异，达到机械切削性能好、热处理变形少、工作时热强度高、韧性好、磨损少，由于优质钢材的合理选用以及真空热处理工艺的普遍应用，使得近年我国压铸模使用寿命与国际先进工业国的距离大大缩小(但国内模具的使用故障率高仍是通病)。目前主要使用的热模钢有：上海宝钢、抚顺钢厂、大冶钢厂、本溪钢厂等国内厂家冶炼的4Cr5MoSiV1(H13钢)；以及欧洲和日本生产的钢材，如：瑞典ASSAB钢厂的8407；8418(DIEVAR)；奥地利BOHLER钢厂的W3OO、W400、W403；德国KIND＆CO钢厂的TQ1；德国蒂森公司的1.2343、1.2344：法国AUBERT＆DUVAL公司的ADC3、SMV3；日本日立公司的DAC、DAC55；日本大同公司的DHA1、DH31等。上述外国公司在国内多处设立供应点，材料供给畅通，服务还可以，但钢材的价格较贵。各模具制造厂家会根据客户及产品要求，选择性价比相对高的合用钢材的余地大了。近年，行业内对于模架的加工精度和材质强度引起了重视，模架质量的好坏直接影响到整套模具的寿命和产品的精度，“没有高质量的模架不算一套好的压铸模”这个观点正被同行接受。模架常用的材料有：中碳钢(45钢、5O钢、55钢)经调质处理、高强度QT、铸钢、铸低合金钢、经调质处理的P2O钢等。经验和教训使得模具制造厂家对于未经热处理的中碳钢塑料模架及塑料模具专用推杆的选用更为谨慎，当前行业内对模具的材料选择和热处理工艺更科学和严谨。

4、技术改造的规模和设备更新速度的加快前所未有

近年来，行业中出现产能的扩充现象尤其凸显，高端的加工设备增添很多，如：五轴高速加工中心、三座标测量仪、慢走丝线切割机床、大型合模机、大型精密电火花机床、石墨电极加工中心机床、深孔钻床、大型龙门磨床、大型龙门数控铣床、大型高压真空淬火炉等设备。这些优良的装备投入为加大产出，缩短制模周期，制造精密、复杂模具提供了保证，压铸模的生产运作正改变着“依赖钳工”修正装配的制模模式，朝着“只装少配”的方向迈进。

第三节 国外技术发展现状

日本铸造界在技术创新方面作了大量工作，开发了球型低膨胀铸造砂、高减振铸铁材料、中硅耐热球铁等材料

潮模造型经过手工紧实一震击+压实紧实→高压+微震紧实→气冲紧实→静压紧实几个发展阶段静压造型技术的实质是"气中预紧实+压实"，其有以下优点：铸型轮廓清晰，表面硬度高且均匀，拔模斜度小，型板利用率高，工艺装备磨损小，铸型表面粗糙度低，铸型型废率低因此，是目前最新、最先进的造型工艺，并已成为当今的主流紧实工艺目前，高压造型和单一气冲造型已逐渐被静压造型所替代，原先高压造型线和气冲造型线的主机已逐渐更新为静压造型主机，新建铸造厂均首选采用静压造型技术当前，国外比较有名的制造静压造型设备的厂家有德国的KW公司、HWS公司和意大利萨威力公司国内汽车铸造厂家大都选用 HWS公司或KW公司制造的设备，如一汽铸造公司、东风汽车铸造厂、上海圣德曼铸造公司、华东泰克西、山西三联、广西玉柴、无锡柴油机厂等

第四节 技术开发热点、难点分析

汽车铸造业是汽车整车及汽车零部件工业的基础，汽车零部件的耐用寿命和各项性能取决于铸造毛坯的材质和质量。我国汽车铸造业飞速发展，已经实现了从低端到高水平，从集中到分散协作的质变与飞跃。但纵观我国汽车铸造行业的现状，与发达国家的同行业相比，在整体水平上仍有很大差距。虽然硬件设备已达到国际先进水平，但质量检测手段落后，工艺技术、节能环保材料的应用还需不断提高，轻量化技术还有待获得突破。轻量化是我国汽车制造行业产品研发所追求的目标，符合国家节能减排的要求，也是汽车产品开创自主品牌并进行结构调整的方向。

“绿色铸造”是使铸造产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理整个产品的生命周期中，对环境的负面影响最小，资源效率最高。铸造行业历来被认为是高能耗、高污染的行业，要不断开发新的节能、清洁、低排放、低污染的铸造材料以投入生产使用。对于树脂，要想办法降低游离甲醛和游离酚等有害物质的含量；逐步加大冷芯盒技术应用，以减少树脂砂对环境的影响，实现达标排放：降低热芯盒、壳芯砂的固化温度，制芯工艺由热芯盒法向温芯盒法转变，以节约能源。我国汽车铸造厂每年消耗新砂近千万吨，旧砂排放的污染，以及新砂资源大量的耗费，不堪重负，因此旧砂的再生利用技术势在必行。先进工业国家废砂排放量降到10%以下，在欧洲、日本等地区旧砂的再生利用技术得到广泛应用。哈尔滨东安汽车发动机公司引进意大利的热法再生设备，已在生产中应用。一汽铸造公司引进日本技术，热法再生和机械再生结合，处理芯砂和型、芯砂混合砂已在生产中得到应用。目前，东风汽车公司也正在加速旧砂再生技术开发应用工作。加大废钢及回炉料的利用，以减少新生铁和铝资源的耗费。汽车铸造业面向循环经济的铸造技术，要以循环经济3R为行业准则，即以减量化（Reduce）、再利用（Reuse）、再循环（Recycle）来开展工作。

第五节 技术未来发展趋势分析

1、砂型铸造成形技术

潮模造型经过手工紧实一震击+压实紧实→高压+微震紧实→气冲紧实→静压紧实几个发展阶段。静压造型技术的实质是“气中预紧实+压实”，其有以下优点：铸型轮廓清晰，表面硬度高且均匀，拔模斜度小，型板利用率高，工艺装备磨损小，铸型表面粗糙度低，铸型型废率低。因此，是目前最新、最先进的造型工艺，并已成为当今的主流紧实工艺。目前，高压造型和单一气冲造型已逐渐被静压造型所替代，原先高压造型线和气冲造型线的主机已逐渐更新为静压造型主机，新建铸造厂均首选采用静压造型技术。当前，国外比较有名的制造静压造型设备的厂家有德国的KW公司、HWS公司和意大利萨威力公司。国内汽车铸造厂家大都选用 HWS公司或KW公司制造的设备，如一汽铸造公司、东风汽车铸造厂、上海圣德曼铸造公司、华东泰克西、山西三联、广西玉柴、无锡柴油机厂等。

2、 近净形技术

1）消失模铸造成形工艺

消失模铸造也称气化模铸造、实型铸造、无型腔铸造。该工艺尺寸精度高达0.2 mm以内，表面粗糙度可达Ra5μm～Ra6μm，被铸造界誉之为“21世纪的铸造新技术”、“铸造的绿色工程”。该工艺方法是采用无粘结剂干砂加抽真空技术。据2003年统计，我国有150家企业用该工艺生产箱体类、管件阀体类、耐热耐磨合金钢类等三大类铸件，总产量超过10万t。国内汽车铸造厂，有的采用国产铸造生产线：有的采用简易生产线或单机生产；有的采用国外引进铸造生产线生产。一汽集团公司1993年从美国福康公司引进造型用振动台，生产 EPS模的预发泡机和成型机等设备，生产汽车进气管。长沙发动机总厂从意大利引进自动化铸造线生产铝合金气缸体、气缸盖铸件。合肥叉车集团用4段泡沫模片粘结成整体的工艺生产复杂箱体铸件，尺寸精度可达到 CT7-CT8级，产品出口美国。成都成工集团，用8块泡沫模片粘结成整体的工艺生产装载机变速器，铸件质量达320 kg，与砂型铸造比较，毛坯减重15%，成品率达95%以上。消失模工艺近几年在美国有较大的发展，通用汽车公司投资建造了6条消失模铸造生产线，大批量生产铝合金气缸体、气缸盖铸件。今后，该工艺将大量采用快速制模技术和模拟仿真技术，以缩短生产准备周期，实现铸件的快捷生产。未来的发展方向必定是质量好、复杂、精密、寿命长的高档模具。提高该技术的模具材料、成形工艺、涂料技术、工装设备的技术水平，使EPS铸件获得更广阔的发展前景。

2）熔模精密铸造成形工艺

我国汽车熔模精密铸造技术有了长足的发展，采用近净形技术可以生产出无余量的铸造产品。熔模精密铸造工艺有水玻璃制壳工艺、复合制壳工艺、硅溶胶制壳工艺。汽车产品材料有碳素钢、合金钢、有色合金与球墨铸铁。国外有高合金钢、超合金材料。熔炼设备国内采用普通、快速中频炉；国外采用真空炉、翻转炉、高频炉技术。采用硅溶胶制壳工艺的零件表面粗糙度可达Ra1.6μm、尺寸精度可达CT4级，最小壁厚可达0.5～1.5mm。欧、美、日等国家开始关注精铸件在汽车业的应用与拓展。我国汽车用精铸件的市场需求量也在不断快速增长和发展，2003年精铸件的产量为60万t，产值达到110亿元。东风汽车精密铸造有限公司采用硅溶胶+水玻璃复合型制壳工艺，生产高技术含量、高附加值产品，将原来铸件、锻件、机加工及多件组装结构设计制造成一个整体精密铸件，显著降低了制造成本。
熔模精密铸造成形工艺将来的发展趋势是铸件产品越来越接近零部件产品，传统的精铸件只作为毛坯，已经不适应市场的快速应变。零部件产品的复杂程度和质量档次越来越高，研发手段越来越强，专业化协作开始显现，CAD、CAM、 CAE的应用成为零部件产品开发的主要技术。东风汽车公司、一汽集团公司的精铸企业作为中国精铸行业的领军者，一定能凭强大的研发实力和先进的技术快速发展。

3 、制芯技术

目前，国内外汽车铸造制芯有3种制芯工艺，在现代汽车铸造中常并行采用的主要工艺有热芯盒制芯、壳芯制芯、冷芯盒制芯等，传统的合脂或油砂制芯已被淘汰。冷芯盒技术工艺有两个特点：一是硬化速度快，初始强度高，生产率高；二是砂芯尺寸精度高，可满足生产薄壁高强度铸件的砂芯。因此，制芯工艺技术有以冷芯盒技术为主的发展趋势。一汽铸造公司、东风汽车铸造厂、上海圣德曼铸造公司、华东泰克西、山西国际铸造公司等均采用冷芯盒制芯技术。当代先进的110L冷芯盒制芯机。

最先进的制芯工艺是结合锁芯（Key Core）和冷芯盒等技术的制芯中心，整个射芯、取芯、修整毛刺、多个芯子定位组合成一体、上涂料、烘干等工序，全部用一台或多台制芯机与机械手自动化完成。国外比较有名的制芯中心生产厂有西班牙LORMENDl公司、德国 Laempe公司和Hottinger公司、意大利的FA公司等。东风汽车铸造厂、一汽铸造公司、上海圣德曼铸造公司、华东泰克西、上海柴油机、洛拖二铁、潍柴、江西五十铃等均采用冷芯盒制芯中心技术。

4 、铸铁熔炼技术

目前，国内外铸铁熔炼技术有两种主要方式：一是采用大型热风除尘冲天炉与工频保温炉双联熔炼工艺；二是采用中频感应电炉熔炼工艺技术。美国因达公司和彼乐公司生产的中频炉技术开始越来越受到重视，该技术日益成熟，其清洁、环保、节能、高效、安全的优势突出，是今后发展的方向。

因此，铸铁则由过去用工频炉熔炼逐步过渡到用高效省电的中频电炉熔化。一、汽铸造公司、东风汽车公司采用因达公司和彼乐公司生产的中频炉和保温炉技术，已经开发应用球化剂、孕育剂、蠕化剂和其他各种添加剂产品，形成商品化、标准化、规格化、系列化。铸铁孕育多用带光电控制的随流孕育机。新开发出的喂丝球化方法及其与现代化检测技术相结合的SINTER CASTZ艺是铸铁球化及蠕化处理的一种很有优势的工艺，应用者日益增多。国外金属炉料经过破碎、净化、称量，大大提高熔化效率和铁水质量。国内的天津丰田、天津勤美达、苏州勤美达等铸造厂已对炉料采用破碎处理工艺。

5、铝合金气缸体、气缸盖压铸成形技术

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。最初，铝合金仅用于一些不受冲击的部件。后来，通过强化合金元素，铝合金的强度大大提高，由于质轻、散热性好等特性，可以满足发动机活塞、气缸体、气缸盖在恶劣环境下工作的要求。铝合金气缸体、气缸盖压铸成形核心技术可以提高净化、精炼、细化、变质等材质质量控制，使得铝铸件质量达到一致性和稳定性。随着我国汽车业的发展，特别是家用轿车的快速增加和汽车零部件出口量的增大，汽车铝铸件将有很大的增长。我国2003年铸件总产量为1 987万t，其中铝镁合金为117万t，占总产量的5.8%。丰田汽车希望在近两年将铝制气缸体由现在的35%提高到50%。日产汽车计划在2010年以前，70%的汽油机轿车的气缸体采用铝制材料，近100%的气缸盖及变速器壳体采用铝制材料。

本田汽车公司早在1994年，将汽油发动机气缸体全部换成铝制气缸体。铝合金气缸体、气缸盖等有色金属则多采用压铸（包括真空压铸）、低压压铸、高压压铸、金属型重力铸造以及很有发展前途的半固态压铸成形技术。东风本田发动机公司、东风日产发动机分公司铝压铸车间采用2500t压铸机生产铝气缸体，并实现了国产化。铝气缸盖成形工艺主要有两种，一是以欧美为代表的重力铸造成形工艺，上海皮尔博格、南京泰克西等公司选用意大利法塔公司重力铸造机生产铝气缸盖；二是以日韩为代表的低压铸造成形工艺，东风日产发动机分公司铝压铸车间、广东肇庆铸造公司、天津丰田铸造公司都选用日本新东等公司的低压铸造机生产铝气缸盖。

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