發(fā)動機缸體缸蓋的消失模鑄造技術

    發(fā)動機缸體、蓋的制造水平是衡量國家的制造業(yè)水平的重要標志之一。中國消失模鑄造技術還剛起步，處于技術革新期，需要有一個艱苦的技術積累過程，但前景光明。  

    消失模鑄造技術的工藝過程  

    消失模鑄造技術（Lost Foam Casting，簡稱LFC）是一項精確成形的鑄造新技術。1958年，美國人H.F.Shroyer首次用泡沫板材加工的模樣，用含有粘結劑的型砂作充填砂制造金屬制件并取得專利，直到20世紀80年代專利期滿后，消失模技術才獲得了大規(guī)模的應用。在90年代，美國通用汽車公司率先應用于發(fā)動機的缸體缸蓋制造，并實現大批量工業(yè)化生產獲得成功。  

    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組合成模型簇，刷涂耐火涂料并烘乾后，埋在乾砂中振動造型，在常壓或負壓下澆注，使模型氣化，液體金屬占據模型位置，凝固冷卻后形成鑄件的新型鑄造方法。  

    消失模鑄造每生產一個鑄件就要消耗一個泡沫模樣，所以增加了預發(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  

    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，泡沫模樣可實現無起模斜度，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、粘結劑和附加物帶來的缺陷，鑄件的廢品率下降，鑄件質量明顯提高。  

    容易實現清潔生產。低溫下聚苯乙烯（EPS）對環(huán)境無害，澆注時EPS有機物排放量僅占澆注鐵液質量的0.3%，而自硬砂為5%。同時產生有機排放物的時間短、地點集中、易于搜集，可以采用負壓抽吸式燃燒凈化器處理，燃燒產物凈化后對環(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、一氧化碳氣體和矽石粉塵危害明顯減少，工人勞動強度大大降低，勞動環(huán)境顯著改善，容易實現機械化、自動化和清潔生產。  

    為鑄件結構設計提供了充分的自由度。原先要由多個零件加工組裝的結構，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：復雜的六缸缸體、蓋模樣可以由若干個模片組裝成一個整體，而且型芯可以省去，孔、洞可以直接鑄出，這就大大節(jié)約了加工裝配的費用，同時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技術設備投資可減少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、復雜程度以及加工裝配時間的節(jié)省等）。  

    金屬液的流動前沿式熱解的消失模產物（氣體和液體），它會與金屬液發(fā)生反應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，正確設計澆注系統(tǒng)，制定合理的工藝方案。  

    模具制造成本較高，沒有一定的生產批量，很難獲得好的經濟效益。  

    缸體缸蓋的消失模應用  

    消失模鑄造符合當今鑄造技術發(fā)展的總趨勢，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)動機缸體和缸蓋這類產品的批量生產。目前國內外相關應用情況如：  

    美國  

    美國通用汽車公司（GM）于1981年利用消失模技術第一次試制了4.3L、V6型鋁合金發(fā)動機缸蓋，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)動機缸蓋，一舉獲得成功；2001年GM所屬的Saginaw鑄造廠消失模生產線正式投產，標志著美國消失模技術走向成熟。  

    Saginaw鑄造廠是目前世界上最先進、規(guī)模最大的消失模生產工廠，共有五條生產線，能夠日產198.6kW直列式運動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%，其中內廢小于10%。該廠生產的Votec 4200六缸缸體和缸蓋（如圖4）是目前最復雜、最有代表性的LFC產品，充分體現了該技術的優(yōu)越性。這型號的缸體和缸蓋是該公司的設計部門充分考慮了LFC法的特點而設計的，缸體質量40kg，缸蓋質量22kg，產品設計中集成了曲軸箱，油/空氣分離器（圖5a）、通氣系統(tǒng)（圖5b）、復雜彎曲的回油管路（圖6）全部鑄出，大大減小了鉆孔加工和螺栓裝配工作量，減輕了整機的質量，減少了噪音、振動和污染，提高了燃油效率，降低成本。  

    另外，Saginaw鑄造廠工藝過程完善，完全實現了清潔生產，5臺預發(fā)泡機、29臺成形機每天生產高質量的聚苯乙烯缸體和缸蓋模樣。缸體分4片，粘合成一個整體，澆注時水平放置，一箱一件；缸蓋分5片粘合成一個整體，澆注時水平放置，一箱兩件。采用高性能的云母基涂料，由機械手自動浸涂，乾燥后由機械手放入砂箱，雨淋式加砂，分三階段水平振動緊實。鑄件在清理、粗加工后，100%經滲透試驗，T6熱處理，然后送到加工工廠進行精加工。  

    經過十馀年的研究和實踐，相關電腦軟件快速發(fā)展，使消失模的工藝設計建立在更科學的基礎上。在工藝和模具設計制造領域，建立了先進實用的CAD/CAM/CAE系統(tǒng)，可以準確、高效地生產像六缸缸體、缸蓋之類復雜高質量的模具；通過應用軟件（如Flow 3D）類比金屬液充型、凝固過程的流動場和溫度場，可預測鑄件產生缺陷的部位；并著手進行泡沫珠粒射料過程的流場類比和模樣在模具中加熱、冷卻過程中溫度場的變化規(guī)律類比。成功實現了曲軸、變速箱、差動器、離合器、進氣管、排氣歧管、發(fā)動機缸體和缸蓋的工業(yè)化生產。  

    中國  

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

    發(fā)動機缸體、蓋的制造水平是衡量國家的制造業(yè)水平的重要標志之一，消失模鑄造技術使得這類零件設計更為柔性、集成度高，減輕鑄件重量，提高燃油效率。中國缸體、蓋的消失模鑄造技術還剛起步，處于技術革新期，需要有一個艱苦的技術積累過程，但前景光明。