發動機殼體生產及經濟性分析

摘要：汽車“輕量化”是汽車鑄造發展的方向，以汽車發動機殼體的鑄造工藝為基本媒介，分析了汽缸體的組成、“輕量化”材料選擇等，研究了基于UG的發動機殼體三維模樣設計思路、澆注方式的選擇及基于CAM的消失模具制造，然后對其動力經濟性進行分析，論述了汽車整體“輕量化”對功率輸出經濟性影響，體現出汽車組成部件的“輕量化”鑄造對于汽車工業經濟、可靠發展的重要意義。

關鍵詞：輕量化，汽缸體，經濟性

隨著能源資源的消耗，汽車的動力經濟性已成為制約汽車工業發展的重要瓶頸，為了獲得較好的動力經濟指標，使汽車發展更具活力，實現汽車整體以及組成部件的“輕量化”設計與研究是非常必要的。汽車“輕量化”是一種通過改進生產過程，在保證汽車性能的前提下，不斷優化零部件的鑄造工藝，從而進一步減少汽車的總體重量[1]，從材料和鑄造工藝兩方面實現汽車零部件的優化過程。在本文中，筆者首先分析了汽車發動機汽缸體的鋁合金鑄造工藝，在滿足耐磨、耐壓等基本要求的前提下，由汽缸體的動力經濟性延伸到整體汽車“輕量化”動力經濟性的分析，從側面上論證汽車組成部件的合理“輕量化”鑄造與應用的經濟性。

1. 汽車發動機殼體的結構

汽車發動機汽缸體是一種復雜的薄壁箱體類鑄件，它是保證發動機功率輸出的基礎，而在汽缸體的鑄造工藝上對于鑄件的要求較高，除了要求有較高的強、硬度、抗高溫、腐蝕等特性外，還要求汽缸體具有較低的表面粗糙度（目前要求在Ra25左右）[2]，這就要求清楚發動機殼體的基本結構，如圖1所示的由四個汽缸和箱體組成的四沖程缸體結構，其最大輪廓尺寸為535mm×396mm×346mm[3]，箱體表面有不規則的凸起，且箱體的壁厚差異較大，壁厚處可達到30mm，而薄壁處甚至在3mm以下。

從發動機殼體的材料的角度來說，除了一方面滿足發動機正常工作的要求，另一方面也要選擇“輕量化”材料。ZAlSi7Mg的組成成分簡單，主要由質量分數6.5～7.5%Si，0.25～0.45%Mg組成，且ZAlSi7Mg易于鑄造，適合汽缸體氣密性好、耐腐蝕、抗熱裂能力強的要求。此外，發動機殼體的鑄造，除了常規的低壓鑄造、砂型等手段外，采用基于消失模的發動機殼體鑄造，能有效的提高生產效率，對于控制總體的經濟性有重要的作用。

2.發動機殼體的消失模鑄造工藝

2.1.基于UG的模樣設計思路

發動機殼體泡沫模樣設計的一般思路是根據汽缸體的基本結構與性能，找出代表其基本特征的模型狀態，確定其三維形態，然后通過修改三維工藝參數實現殼體消失模的設計，在UG中，首先分別對四沖程汽缸體內、外實體造型，利用求差進行實體之間的裁剪得到如圖1所示的模樣三維結構圖。

2.2.澆注方式的選擇

發動機殼體的澆注一般選擇頂注式，一方面它能迅速的實現澆注，且保證澆注過程中金屬液的溫度損失最小，另一方面可以提高鑄件的成品率，有利于對成本進行控制，頂注式澆注方案如圖2所示。

2.3.殼體的消失模設計

殼體的消失模設計與制造可以利用CAM實現，如圖3所示的流程，首先明確發動機殼體的基本結構尺寸，然后為了節約生產成本，選擇模具材料為EPS珠粒，進行消失模毛坯的制造，之后對毛坯進行精粗兩次加工，根據設置的基準孔進行程序校驗，之后依次從型腔、曲面、分型面等處進行加工，最后人工進行修補，完成模具的設計后，模樣簇的組裝分階段進行，將產品模樣和澆道口組裝起來浸涂消失模涂層，等到烘干之后再進行發動機殼體的澆注生產。

3.“輕量化”發動機殼體的動力經濟性

忽略其他因素的影響，只考慮汽車的質量，可見功率Pe∝mv。而從發動機殼體輕量化來看，采用ZAlSi7Mg合金與灰鑄鐵相比，能有效的減少發動機殼體的質量，大約減少30%左右，另外有資料表明，整體實現“輕量化”的汽車的質量與傳統相比減少40%[6]，這樣汽車發動機的功率輸出也相應的減少40%，然后從未來5～10年汽車發動機的鑄造預測數據來看，到2020年大約需要3000萬輛汽車[7]，因此，采用“輕量化”材料鑄造汽車零部件能大量的節省能源消耗，對于保證汽車工業和汽車零部件鑄造的長遠發展有重要意義。

4.結論

由汽車發動機殼體的“輕量化”鑄造過程研究，進而預測汽車整體“輕量化”帶來的良好燃油經濟性是保證汽車零部件鑄件及汽車工業可持續發展的重要前提，目前，汽車零部件材料的發展比較迅速，對于未來，發展機械力學性能更好、質量更輕、更符合汽車動力經濟性的材料是節約能源、適應發展需要的基礎。

參考文獻

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[7] 吳殿杰.國內汽車發動機缸體鑄件鑄造技術發展趨勢[J].現代鑄鐵（增刊），2012，2：23-30.