發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋的消失模鑄造技術(shù)

    發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、蓋的制造水平是衡量國(guó)家的制造業(yè)水平的重要標(biāo)志之一。中國(guó)消失模鑄造技術(shù)還剛起步，處于技術(shù)革新期，需要有一個(gè)艱苦的技術(shù)積累過程，但前景光明。  

    消失模鑄造技術(shù)的工藝過程  

    消失模鑄造技術(shù)（Lost Foam Casting，簡(jiǎn)稱LFC）是一項(xiàng)精確成形的鑄造新技術(shù)。1958年，美國(guó)人H.F.Shroyer首次用泡沫板材加工的模樣，用含有粘結(jié)劑的型砂作充填砂制造金屬制件并取得專利，直到20世紀(jì)80年代專利期滿后，消失模技術(shù)才獲得了大規(guī)模的應(yīng)用。在90年代，美國(guó)通用汽車公司率先應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體缸蓋制造，并實(shí)現(xiàn)大批量工業(yè)化生產(chǎn)獲得成功。  

    LFC法的工藝過程  

    消失模鑄造是將與鑄件尺寸形狀相似的泡沫模型粘結(jié)組合成模型簇，刷涂耐火涂料并烘乾后，埋在乾砂中振動(dòng)造型，在常壓或負(fù)壓下澆注，使模型氣化，液體金屬占據(jù)模型位置，凝固冷卻后形成鑄件的新型鑄造方法。  

    消失模鑄造每生產(chǎn)一個(gè)鑄件就要消耗一個(gè)泡沫模樣，所以增加了預(yù)發(fā)泡和發(fā)泡成型的工序，但減少了型（芯）砂制備、制芯、造型、下芯等許多煩瑣工序。  

    LFC法的工藝主要特點(diǎn)  

    LFC是一種近無馀量、精確成形的工藝。其采用聚苯乙烯或共聚物的泡沫塑料模壓成型，組合成模，泡沫模樣可實(shí)現(xiàn)無起模斜度，既無分型面又無型芯，減少由于型芯塊組合而造成的尺寸誤差。鑄件尺寸精度和表面粗糙度可達(dá)CT5~CT7、Ra＝6.3~12.5µm，介于砂型鑄造和熔模鑄造之間。由于充填砂采用乾砂，根除了由水分、粘結(jié)劑和附加物帶來的缺陷，鑄件的廢品率下降，鑄件質(zhì)量明顯提高。  

    容易實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)。低溫下聚苯乙烯（EPS）對(duì)環(huán)境無害，澆注時(shí)EPS有機(jī)物排放量?jī)H占澆注鐵液質(zhì)量的0.3%，而自硬砂為5%。同時(shí)產(chǎn)生有機(jī)排放物的時(shí)間短、地點(diǎn)集中、易于搜集，可以采用負(fù)壓抽吸式燃燒凈化器處理，燃燒產(chǎn)物凈化后對(duì)環(huán)境無公害，舊砂回用率在95%以上。與傳統(tǒng)鑄造方法相比，LFC法的雜質(zhì)、一氧化碳?xì)怏w和矽石粉塵危害明顯減少，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低，勞動(dòng)環(huán)境顯著改善，容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化和清潔生產(chǎn)。  

    為鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了充分的自由度。原先要由多個(gè)零件加工組裝的結(jié)構(gòu)，采用LFC工藝后可以通過分片制模然后粘合的辦法整體鑄出（如：復(fù)雜的六缸缸體、蓋模樣可以由若干個(gè)模片組裝成一個(gè)整體，而且型芯可以省去，孔、洞可以直接鑄出，這就大大節(jié)約了加工裝配的費(fèi)用，同時(shí)也可以減少加工裝備的投資。一般說來，與傳統(tǒng)鑄造工藝相比，LFC技術(shù)設(shè)備投資可減少30%~50%，鑄件的成本可下降10%~30%（成本下降的幅度取決于零件批量、復(fù)雜程度以及加工裝配時(shí)間的節(jié)省等）。  

    金屬液的流動(dòng)前沿式熱解的消失模產(chǎn)物（氣體和液體），它會(huì)與金屬液發(fā)生反應(yīng)并影響到金屬液的充填，如果金屬充型過程中熱解物不能順利排除，就容易引起氣孔、皺皮、增炭等缺陷。這就要求工藝師掌握消失模鑄造成形原理，正確設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)，制定合理的工藝方案。  

    模具制造成本較高，沒有一定的生產(chǎn)批量，很難獲得好的經(jīng)濟(jì)效益。  

    缸體缸蓋的消失模應(yīng)用  

    消失模鑄造符合當(dāng)今鑄造技術(shù)發(fā)展的總趨勢(shì)，發(fā)展前景廣闊，其優(yōu)越性不容置疑。特別適合于離合器殼、變速箱、發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和缸蓋這類產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)應(yīng)用情況如：  

    美國(guó)  

    美國(guó)通用汽車公司（GM）于1981年利用消失模技術(shù)第一次試制了4.3L、V6型鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋，由于各方面工藝還未成熟，沒有取得成功；1985年GM公司又試制2L、L4型鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋，一舉獲得成功；2001年GM所屬的Saginaw鑄造廠消失模生產(chǎn)線正式投產(chǎn)，標(biāo)志著美國(guó)消失模技術(shù)走向成熟。  

    Saginaw鑄造廠是目前世界上最先進(jìn)、規(guī)模最大的消失模生產(chǎn)工廠，共有五條生產(chǎn)線，能夠日產(chǎn)198.6kW直列式運(yùn)動(dòng)跑車六缸鋁合金缸體和缸蓋各2100件，試壓后總廢品率不大于12%，其中內(nèi)廢小于10%。該廠生產(chǎn)的Votec 4200六缸缸體和缸蓋（如圖4）是目前最復(fù)雜、最有代表性的LFC產(chǎn)品，充分體現(xiàn)了該技術(shù)的優(yōu)越性。這型號(hào)的缸體和缸蓋是該公司的設(shè)計(jì)部門充分考慮了LFC法的特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的，缸體質(zhì)量40kg，缸蓋質(zhì)量22kg，產(chǎn)品設(shè)計(jì)中集成了曲軸箱，油/空氣分離器（圖5a）、通氣系統(tǒng)（圖5b）、復(fù)雜彎曲的回油管路（圖6）全部鑄出，大大減小了鉆孔加工和螺栓裝配工作量，減輕了整機(jī)的質(zhì)量，減少了噪音、振動(dòng)和污染，提高了燃油效率，降低成本。  

    另外，Saginaw鑄造廠工藝過程完善，完全實(shí)現(xiàn)了清潔生產(chǎn)，5臺(tái)預(yù)發(fā)泡機(jī)、29臺(tái)成形機(jī)每天生產(chǎn)高質(zhì)量的聚苯乙烯缸體和缸蓋模樣。缸體分4片，粘合成一個(gè)整體，澆注時(shí)水平放置，一箱一件；缸蓋分5片粘合成一個(gè)整體，澆注時(shí)水平放置，一箱兩件。采用高性能的云母基涂料，由機(jī)械手自動(dòng)浸涂，乾燥后由機(jī)械手放入砂箱，雨淋式加砂，分三階段水平振動(dòng)緊實(shí)。鑄件在清理、粗加工后，100%經(jīng)滲透試驗(yàn)，T6熱處理，然后送到加工工廠進(jìn)行精加工。  

    經(jīng)過十馀年的研究和實(shí)踐，相關(guān)電腦軟件快速發(fā)展，使消失模的工藝設(shè)計(jì)建立在更科學(xué)的基礎(chǔ)上。在工藝和模具設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域，建立了先進(jìn)實(shí)用的CAD/CAM/CAE系統(tǒng)，可以準(zhǔn)確、高效地生產(chǎn)像六缸缸體、缸蓋之類復(fù)雜高質(zhì)量的模具；通過應(yīng)用軟件（如Flow 3D）類比金屬液充型、凝固過程的流動(dòng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)，可預(yù)測(cè)鑄件產(chǎn)生缺陷的部位；并著手進(jìn)行泡沫珠粒射料過程的流場(chǎng)類比和模樣在模具中加熱、冷卻過程中溫度場(chǎng)的變化規(guī)律類比。成功實(shí)現(xiàn)了曲軸、變速箱、差動(dòng)器、離合器、進(jìn)氣管、排氣歧管、發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和缸蓋的工業(yè)化生產(chǎn)。  

    中國(guó)  

    20世紀(jì)90年代中后期，LFC法在中國(guó)獲得較廣泛的生產(chǎn)應(yīng)用和快速發(fā)展，在不到十年的時(shí)間里，中國(guó)消失模鑄造技術(shù)已發(fā)展到一個(gè)新的階段，在產(chǎn)品質(zhì)量逐步提高地同時(shí)，鑄件也由簡(jiǎn)單的耐磨零件擴(kuò)展到變速箱體等復(fù)雜鑄件。2003年前后，山西華恩集團(tuán)、重慶南川天寶特種鑄造有限公司、福州福清躍龍公司、溫州歐海實(shí)型制造有限公司等、安徽全柴動(dòng)力股份有限公司等企業(yè)，采用消失模技術(shù)主攻缸蓋、缸體，初步獲得成功，開始走向市場(chǎng)，但由于受到增碳、氣孔等鑄造缺陷的困擾，還未能實(shí)現(xiàn)低廢品率的大批量工業(yè)化生產(chǎn)。  

    發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、蓋的制造水平是衡量國(guó)家的制造業(yè)水平的重要標(biāo)志之一，消失模鑄造技術(shù)使得這類零件設(shè)計(jì)更為柔性、集成度高，減輕鑄件重量，提高燃油效率。中國(guó)缸體、蓋的消失模鑄造技術(shù)還剛起步，處于技術(shù)革新期，需要有一個(gè)艱苦的技術(shù)積累過程，但前景光明。