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新世纪的中国汽车铸造业
作者：bearingpower 发表时间：2010-12-12
新世纪的中国汽车铸造业关键字：铸造 一.铸件的主要用户--汽车业 汽车诞生已有百年，现在全世界有6亿7千万辆汽车在服役之中，而且全球汽车保有量增加势头未减。全球汽车的总产量，1950年为1000万辆，1998年为5190万辆，其中：中国为163万辆，居世界 第10位。21世纪，亚洲对汽车需求的增长将位于世界之首。据分析，下世纪初，亚洲地区汽车需求量每年将平均增长约7%。大大高于世界平均增长速度。而中国是极具发展潜力的汽车市场，是世界上最大的潜在的汽车市场。中国汽车工业早晚将成为世界最大的汽车工业之一。 汽车工业带动其它产业的能力很强，汽车工业的发展必将推动冶金、能源、材料、化工、机械、电子等产业的发展，促进公路、城市的建设及金融、保险、贸易、运输、信息等第三产业的繁荣。据统计，德国每七个工作岗位中，就有一个与汽车业有关。汽车业对促进消费、扩大就业、提高人民的生活水平、带动经济发展的作用是显而易见的。因此，我国在大力发展载货卡车的同时，轿车发展也很快，近来，又鼓励私人购车，银行发放私人购车信贷，车辆税费也在改革，随着公路的增加及城市向远郊及卫生城的发展，中国汽车的需求量必将更快提高。 第63届世界铸造会议于1998年在匈牙利举行，会议的报告中指出，全世界铸件的最大买主是汽车制造业。美国是世界上铸件产量最高的国家，美国铸件的最大用户是它的汽车制造业。我国的汽车产量还不高，但我国的汽车制造业出正在成为我国铸件的主要用户。据不完全统计，1998年，我国汽车铸铁件的产量约为70万吨，汽车铸铝件的产量约为8万吨。汽车工业的发展，是刺激制造业发展的重要因素。中国的很多大型铸造厂，都是我国汽车铸件的供应厂家。 二、年轻的中国汽车铸造业 作为有数千年铸造历史的铸造古国，中国的汽车铸造业却只有四十几年的历史。如此年轻的中国汽车铸造业，基本上是在计划经济体制下建立起来的隶属主机厂的自给自足式的铸造厂。这也是由于汽车工业本身就是中国的新兴幼稚产业，全社会能为汽车工业协作供货的能力、水平，在当时极度为有限。因此，汽车铸造厂当年的“大而全”，“小而全”亦属不得已而为之。汽车铸件比传统产业的铸件复杂，质量要求较高，供货节拍较快，因此须采用具有一定水平的较高生产率的铸造设备、设施，资金的投入也较高。但由于隶属主机厂，又不是主机厂的主体专业，所以，所能安排的实际投入又是很有限的。即使引进了某些国外设备，也因资金有限只能引进部分主要设备，而无能力引进全套设备，从而导致了铸造专业厂比同样隶属于主机厂的机械加工、装配等专业厂的技术水平要落后，生产效率较低，往往成为制约主机厂的“瓶颈”。在艰难地渡过了起步阶段之后，中国汽车铸造业又面临其用户--汽车业对铸件的越来越高的要求，面临社会对铸造业越来越严的要求。为了实施可持续发展的战略，必须使汽车达到节能、环保的目标。因此，汽车要努力提高燃料的经济性，要严格控制排放。欧共体已着手开发油耗低于3升/百公里的汽车，美国提出的目标是80英里/加仑汽油，(即34公里/升汽油)。为达到这样的目标，减轻汽车自重是重要措施，汽车每减重100公斤，百公里可以节省汽油0 .3升，每降低10%的汽车重量，就可减少10%的汽车排放。为使汽车减轻自重，便要求汽车铸件必须轻量化、薄壁化、精确化、强韧化。所以，汽车的铸件不断被重量轻的铝铸件取代。近十年，美国汽车铝铸件增加1.7倍，到2007年，美国轿车发动机缸盖的95%将采用铝铸件，缸体的50%将采用铝铸件。欧洲的每车铝铸件，1990年为55公斤，2006年，将达98公斤。比重比铝合金轻三分之一的镁合金铸件在轿车上的应用更呈大幅度提高之势。近几年，轿车镁铸件的应用以每年20%的速度增长，1996年，通用公司生产的轿车，每车采用45个镁合金铸件，1998年美国汽车镁合金铸件年产已高达1.3万吨。我国轿车发展是与世界的潮流一致的，我国对汽车排放的要求是，一步就达到欧共体的排放标准(先执行欧1号标准，2003年达到欧II号标准……)，而且北京已开始执行，其它城市也陆续执行。因此，对汽车铸件的要求也同世界趋势是一样的。对汽车铸件的轻量化、薄壁化、强韧化的要求，给我国汽车铸铁件的铸造工世水平、设备与模具的水平和铸造原、辅材料的水平的提高，形成了巨大的压力。而我国汽车铝铸造，只是近几年随着轿车工业的兴起才刚刚开始，汽车镁铸造几乎从零开始。足见我国汽车铸造业压力之大。另一方面，社会已经再不能原谅铸造业这个能源消耗大户和污染大户的放任自流。对资源的保护，对环境的保护已是大家的共识。1998年的63届世界铸造会议上，已开始颁发铸造环境保护奖，世界上十家率先通过ISO14000认证的铸造厂获奖。而我国的环境污染总水平已相当于发达国家历史上最严重的程度，我国汽车铸造业必须走高效、节能、节材、环保之路，走绿色铸造之路，别无选择。年轻的中国汽车铸造业任重道远。 三.几种典型汽车铸件 纵然我国汽车铸造业还年轻，但国内很多铸造工作者已经很赞赏具有大量流水生产能力的我国汽车铸造业的装备状况。而事实上，我国轿车用的典型铸件，如缸体、缸盖等，至今有的汽车厂还未实现国产化，还在靠进口铸件。我们必须把我国汽车铸造业的水平尽快搞上去。下面就从一些典型汽车铸件入手，对汽车铸造业作进一步分析。 1.缸体 汽车上最重要、最复杂的铸件位于汽车的心脏--发动机上。为防止汽车有“心脏病”，发动机上的主要铸件的质量尤为重要。缸体便是发动机上最大、最复杂的铸件，其壁厚最薄处往往不到3mm，大多用高强度灰铸铁铸造，也有蠕墨铸铁的。由于汽车轻量化的进展，采用铝合金的也越多，有的汽车制造厂家甚至开始考虑用镁合金铸造缸体。生产缸体所用的铸造方法因材质不同，因各厂家条件不同而有多种选择，包括湿砂造型中的气冲造型，静压造型、高压多触头造型、无箱挤压造型、震压造型等，对于铸铝缸体，则采用低压铸造、消失模铸造、挤压铸造(用铝基复合材料的预嵌缸套)，压铸(用抗铝液冲击的DOULER砂芯等)以及半固态铸造等，还有采用砂型铸造的(如DISA造型工艺)。 目前，对于铸铁材质的缸体而言，应用最广的仍然是湿砂造型，尤其是气流预紧实的静压或气冲造型的出现，更体现出很多优越性--能耗低、噪声小，污染少、效率高、运行可靠。近来，国外设备制造厂家对造型机又不断改进，先后出现气冲压实，气流增益气冲加压实，静压加压实、主动多触头压实、成型挤压压实等改进方式，使砂型硬度更加均匀化。随着大功率半导体元器件及计算机，微电子技术的发展，采用电伺服系统代替造型线惯常所用的液压、气动驱动，使造型线节拍进一步加快，并且运行可靠性大大提高，同时明显地简化了液压控制系统，使维护保养工作量也相应减少。造型线采用双筒式落砂机，则可使铸件和浇冒口在落砂的同时得到预清理。造型线的浇注往往制约全线的开动率，应采用自动浇注设备。有的厂家采用气压浇包和接触式浇注工艺，有利于节约铁水，保证质量和保护砂箱，浇注过程中采用随流孕育的较多，有的采用型内孕育与过滤相结合。 缸体是采用砂芯最多的汽车铸件。除了水套砂芯薄而复杂，依各厂条件不同，分别采用冷芯盒制芯，热芯盒制芯或壳芯制芯外，其它的砂芯--包括曲轴箱砂芯-、缸筒与顶端砂芯、前后端面前砂芯等大多采用冷芯盒制芯，以保证尺寸精度和节能，冷芯盒应用越来越广泛。冷芯制芯以ISO CURE三乙胺硬化法居多(新近，美国又开发出更先进的ISO MAX)，SO2法硬化另有其优点。而温芯盒制芯法则是节能和环保两种优点兼而有之。加强制芯单元的密封和通风很有必要，而开发与应用无毒、无污染的环保型树脂粘结剂更显重要。为提高铸件内表面质量和内腔清洁度，砂芯应涂料。用水基涂料取代醇基涂料有利于防污染。涂料后采用微波烘干效率高、节能，砂芯质量也比传统的用煤气、天燃气烘干好。传统的烘干使砂芯涂料的水汽向砂芯内部扩散，使砂芯强度下降，而微波烘干则无此弊端。采用KCY-CORE工艺，利用砂芯上开设的工艺孔，二次填砂固化，使多个砂芯为一个整体组合砂芯，然后整体涂料、烘干，这样铸件尺寸精度可大大提高，总体尺寸误差可〈0.3mm。采用计算机控制的“制芯中心”可使全部制芯过程实现自动化。缸体的砂芯甚多，为了减少芯砂对型砂性能的影响和加强对环境保护，应大力推行芯砂再生回用。尤其采用热法再生，可使石英砂经焙烧相变后，高温膨胀率大为下降，用这样的再生砂来制芯，比新石英砂更能保证铸件质量，再生砂的使用也降低了生产成本。 缸体造型所用的型砂，其混砂设备有碾轮式、摆轮式、叶片式等。有的厂家采用双盘碾轮式连续混砂机，有的采用逆流转子式混砂机，混砂效率都较高。同时安装有型砂性能在线控制仪来保证混砂质量。在型砂系统中，尚有旧砂磁选设备、砂块破碎设备和筛分设备及旧砂冷却设备来保证回用旧砂的质量。同时对新砂、煤粉、膨润土等添加材料，准确定量，按工艺确定的比例给料，并根据实时控制的数据随时调整加水量，确保型砂性能。也有采用对全系统型砂的性能进行闭环实时控制或型砂质量计算机在线专家系统控制的。应注意，型砂系统的型砂周转量较大，惰性较强，型砂性能的调整应以趋势来判断，采用有预见性的调整措施，以保证型砂系统的质量稳定。为了环保，应着手旧砂再生和废砂的综合利用。 对于铸铁材质的缸体，所用的熔炼设备大多为冲天冲--感应炉双联熔炼，也有采用感应炉--感应炉双联熔炼。用电弧炉作为保温炉的在减少，而变频感应炉作为保温炉的在增加，为了节能和环保，冲天炉宜采用水冷热风除尘冲天炉，热风可以提高铁水温度与质量及熔化率。用具有高发热值的铸造焦取代冶金焦对提高铁水温度，保证铁水质量，提高熔化效率是很必要的。炉料的预净化处理是必须的。冲天炉的熔化过程控制可采用微机集散式控制系统。冲天炉熔炼铁水的检测采用测温仪、碳当量检测仪和化学成分直读光谱仪等。清洁、长寿命的耐火材料有利于提高冲天炉衬寿命和环保。冲天炉熔炼的废渣的综合利用有利于减少排放污染。 缸体铸件经去除浇冒口后，在清理线上磨各面，然后经鼠笼式抛丸室清理。对于多品种缸体宜采用夹持式高效抛丸清理机进行抛丸。然后手工对缸体逐个精整及吹净水套内腔残留物。经尺寸检查、气密性试验、铣加工定位点及终检后进行涂漆或其它防锈处理，成为用户要求的合格缸体铸件。 2、缸盖 缸盖也是汽车上既复杂又关键的铸件，发动机的燃烧室、进气口、排气口都位于缸盖上。缸盖的材质可以是高强度灰铸或蠕墨铸铁，但应用最广的还是铝合金缸盖，而镁合金缸盖也开始使用。缸盖的铸造方法较多，诸如：砂型铸造、金属型重力铸造、低压铸造、消失模铸造、压铸(采用DOULER砂芯等)和新兴的半固态铸造等。 今以金属型重力铸造铝缸盖为例。缸盖的外形皆由金属型形成，可采用计算机自动控制金属型的型温。部分内腔由砂芯形成，砂芯的制造工艺与前述缸体的制芯过程基本相同，主要是芯砂粘结剂和砂芯涂料不同。 铝合金熔化可采用反射炉，但氧化、吸气严重，烧损失、温度难控、浪费能源、污染环境。采用感应电炉时，铝水在炉内的翻腾有利于成份均匀化，但感应炉磁场对测温仪有干扰，感应炉的维修较难，值得广为采用的是连续高效燃气炉，可实现炉料预热、连续熔化、成份均匀、温控精确、节约能源、适于大量生产。应注意炉料要洁净，除用一般的铝液清炼，变质处理方法外，可采用铝合金熔剂喷吹综合处理装置--使精炼、变质、品粒细化一步完成。缸盖的传统浇注方式为底注式，便于铝液的平衡充型。现在多采用顶注式，与铸型的冷却系统相配合。更便于顺序凝固的形成，从而显著提高铸件的致密性。浇注过程中铸型的排气要通畅，多采用自动浇注--包括单机式，双机组式以及多机组直列式。而多工位转盘式浇注机更适合大批量生产，但投资大。多机组旋转式浇注机则投资较少。用长效锶变质剂时，采用定量保温浇注炉效果更佳。铝液铸型的维护保养很重要，可定期用喷射小颗粒干冰的方法来清除铸型的积垢，此法简便易行，不污染环境。 浇注后的铝缸盖铸件在清理线上锯掉浇冒口、铣平面，经渗漏试验后，往往经粗加工和铣加工定位点之后再发往用户。 3、变速箱壳体 卡车变速箱壳体材质多为灰铸铁，也有用蠕墨铸铁的，普遍采用砂型铸造。而轿车变速壳体，则是典型的大型、复杂的薄壁壳体铸件，材质多为铝合金，采用镁合金的正在增加，一般都采用压铸工艺。为提高压铸件质量，可采用低速中压填充压铸、双压射冲头压铸、真空压铸、加氧压铸生产中的喷涂料、浇注和取件都是自动的，并且有校正压铸机和铸件形成状况的在线检测装置。 变速箱壳体所用铝合金的熔化和精炼与前述的铝缸盖基本相同。压射参数对压铸件气孔的影响颇大，必须合理调整之。采用闭合压射结束时间控制系统，可实现无飞边压铸。压铸件质量的检测可采用X光探伤、超声波测试等。压铸型的材料的延性和韧性对防止压铸型热裂和龟裂十分重要。改善模具工作状态和良好的操作与保障都有助于延长压铸型的使用寿命。若为镁合金压铸，则应采用真空金属型。近来开发的半固态镁合金压射成形技术，可使镁合金充填平稳，不紊流，防止氢气卷入，避免合金一，铸型间反应，是注“塑”成形与压铸成形的复合工艺。 4、进气歧管 进气歧管的不规则的变截面的进气道内腔形状一直是汽车铸造业的难题。而近年来发动机电子喷射技术的发展，使进气歧管更加复杂。因此，很多厂家选择消失模工艺为进气歧管的铸造方法是理所当然的。卡车用的进气岐管多为灰铸铁，普遍用砂型铸造。而轿车的进气岐管材质为铝合金，所采用的铸造方法包括消失模铸造、金属型重力铸造，也有用压铸的(砂芯为DOULER工艺)。 采用消失模工艺铸造铝进气岐管，其熔化及精炼过程与本文前述的缸盖的铝合金熔化及精炼一样。要采用小粒径的EPS珠粒，以保证预发泡和成型。成型模片的胶合必须按工艺规定进行。装配好的消失模模样的涂料工艺很重要，要控制好涂料的性能和涂层厚度，这对浇注时模样热解产物的排除，对铝液的充填速度和消失模铸件的质量至关重要。涂料烘干后的模样经填充干砂，震实后即可浇注。所获得的消失模进气歧管铸件在清除浇冒口之后，还应做渗漏检查，如有渗漏，可按合同规定进行浸渗补漏。 5.气歧管 由于汽车发动机的排气温度较高，因此，排气歧管材质基本上是灰铸铁、球墨铸铁或蠕墨铸铁。排气歧管也是形状较复杂的薄壁铸件，多为砂型铸造，也有采用消失铸造的。今以球墨铸铁材质的砂型铸造的排气歧管为例，其造型与制芯过程与前面所说的缸体的造型、制芯工艺基本相同。 在球铁熔化方面，很多厂家采用冲天炉---感应炉双联熔炼。为了保证球铁质量，除了采用球铁用生铁，采用铸铁焦之外，还应对冲天炉的出炉的出炉铁水进行脱硫处理，多采用氮气多孔塞底吹脱硫包连续脱硫，采用抗潮、防爆的颗粒状脱硫剂。球化处理多为盖包法，近来已将治金行业的包芯线法引入铸造业作为球化处理工艺，这对提高球化合金的吸收率、稳定球化质量、降低成本、减少环境污染都是有利的。孕育方式则以随流孕居多，也有采用型内球化和型内孕育的，还有采用珠粒状球化剂的，可延长球化剂失效时间，并可随时补加球化剂，以保证铁水的球化状态。国外还有采用脱硫-----球化----孕育一次完成的新工艺，可减少镁和孕育剂的消耗，提高球化率、节能。炉前的碳当量检测，快速碳、硫测定和快速金相分析对控制球铁铁水质量是很重要的。 排气歧管为铸态球墨铸铁件，无需热处理。对球铁铸件的球化率的检测，可采用超声波法。 由于蠕墨铸铁有良好的耐热疲劳性，因此很适于生产排气歧管。严格的化学成分控制和良好的蠕化剂，是稳定生产蠕铁铸件的关键。 6、曲轴、凸轮轴 曲轴、凸轮轴是典型的汽车轴类铸件，属既要求韧性、耐疲劳性、又要求在摩擦副部位的表面具有耐磨性的高速回转运动的厚断面汽车铸件。所用材质多为球铁，包括奥贝球铁。凸轮轴材质有时还用合金铸铁、激冷铸铁或合金钢。 所用造型方法，陈了各种砂型铸造方法外，采用壳型(包括铁型覆砂)铸造的很多。也有采用自硬砂造型和消失模铸造的。 7、活塞 活塞顶部是发动机燃烧室的一部分，活塞的圆柱面通过塞环紧贴缸筒内壁做高速的往复运动。活塞是形成发动机动力关键急汽车铸件，其材质为铝合金，包括纤维增强复合材料铝合金。铸造方法包括金属型重力铸造、低压铸造、挤压铸造和新兴的半固态铸造。 8、车轮轮毂 轮毂是回转运动类的汽车铸件，轿车车轮轮毂材质为铝合金，有几种铸造方法一低压铸造，挤压铸造(包括旋转式垂直挤压)、金属型重力铸造、差压铸造和半固态铸造。 当然，汽车上的铸件的种类很多，不一一列举。近年来，很多种轿车铸件开始采用镁合金，以适应汽车轻量化的要求。这些镁合金铸件、包括：离合器外壳、变速箱外壳、变速箱上盖、发动机罩盖、方向盘、座椅支架、仪表盘框架、车门内板、轮辋、转向支架、刹车支架、气门支架等，甚至还有缸盖和缸体。上一篇：数控等离子切割系统的抗干扰措施
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