材料成型論文----機械系

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1、法拉利等高級跑車發(fā)動機的選材及成型技術(shù)發(fā)動機類鑄件的生產(chǎn)屬大批量、專業(yè)化流水生產(chǎn)性質(zhì)，一般年生產(chǎn)綱領(lǐng)，少則上萬件，多則幾千萬件。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鑄造難度大，相應(yīng)生產(chǎn)工序多、工藝裝備的要求也高，如發(fā)動機缸體、缸蓋等鑄件，既有復(fù)雜的內(nèi)腔和外形結(jié)構(gòu)，又要求薄壁及高度精確的毛坯尺寸。而影響發(fā)動機性能的關(guān)鍵因素又取決于結(jié)構(gòu)的設(shè)計，材料的選擇和制造技術(shù)。其中材料的選取又是重中之重。材料的型號繁多、品種各異，每一種材料都有其不同的具體化學(xué)成分和各種性能，而且材料的結(jié)構(gòu)、性能還隨制備方式與處理工藝而變。到目前為止，在材質(zhì)的選擇上，車用發(fā)動機缸體缸蓋的材質(zhì)主要有灰

2、鑄鐵，鋁合金，蠕墨鑄鐵等。隨著發(fā)動機朝著大功率、環(huán)保方向的發(fā)展，灰鑄鐵的牌號越來越高，現(xiàn)在運用普遍的是HT250，而HT300也已應(yīng)用于缸體、缸蓋的生產(chǎn)，個別產(chǎn)品性能要求達到HT350。1發(fā)動機的基本構(gòu)造發(fā)動機是一種由許多機構(gòu)和系統(tǒng)組成的復(fù)雜機器。無論是汽油機，還是柴油機；無論是四行程發(fā)動機，還是二行程發(fā)動機；無論是單缸發(fā)動機，還是多缸發(fā)動機見下圖1．1所示。要完成能量轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)工作循環(huán)，保證長時間連續(xù)正常工作，都必須具備以下一些機構(gòu)和系統(tǒng)：曲柄連稈機構(gòu)、配氣機構(gòu)、燃料供給系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、起動系統(tǒng)[1]。2發(fā)動機關(guān)鍵零部件材

3、料概述2.1鋁合金活塞鋁合金的一個優(yōu)點是密度小，約為鑄鐵的1／3，在同樣強度的情況下，它比鋼鐵材料輕許多可大大減少活塞的質(zhì)量及往復(fù)運動的慣性力，對缸壁的側(cè)壓力和沖擊力也較小。從而減小活塞組與缸壁以及活塞銷的摩擦力，并降低它們的磨損力量。鋁合金的另外一個優(yōu)點是導(dǎo)熱性好，工作時，活塞表面溫度比鑄鐵的低，而且活塞頂部的積炭也較少。迄今曾經(jīng)使用過的活塞材料大致四類：A1．Cu-Ni—Mg系、A1一cu．si系、共晶型A1一si—Cu．Mg系及過共晶型一si—Cu．Mg前兩類由于存在線膨脹系數(shù)大、比重大、體積不穩(wěn)定的缺點早已被淘汰[3]。目前國內(nèi)使用的鋁

4、活塞材料主要是共晶型鋁硅合金，ZLl08(ZAISil2Cu2Mg)、ZLl09(ZAlSil2CulMgiNil)。隨著發(fā)動機性能的不斷提高，共晶型鋁硅合金已越來越難以達到使用性能要求，在汽油機和天然氣發(fā)動機中，過共晶鋁硅合金的使用越來越多。過共晶型鋁硅合金含硅量高達17％～26％，合金比重減小，線膨脹系數(shù)降低，抗磨性及體積穩(wěn)定性相應(yīng)提高，是較理想的活塞材料[1]。2.2連桿材料連桿是發(fā)動機的重要零件，其作用是將活塞的往復(fù)運動轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運動。其好壞與優(yōu)劣直接影響發(fā)動機的整體性能。在工作過程中，連桿受力較復(fù)雜：一方面承受氣體的壓力和往復(fù)運

5、動的慣性力所產(chǎn)生的沖擊性拉壓交變載荷；同時連桿擺動產(chǎn)生橫向慣性力，導(dǎo)致其承受彎曲交變載荷。因其較長，所以要求連桿有足夠的強度和剛度。鈦合金連桿：鈦是一種重量很輕，強度很大的材料，而且價格非常昂貴，一般只在航空領(lǐng)域采用。作為航空及軍工材料鈦及其合金的優(yōu)良性能無可爭辯。航天器和潛艇表層涂上鈦后，其抗壓、耐熱及綜合機械性能顯著提高。由于其密度約為鋼材1／2，應(yīng)用在汽車上，在保證性能的同時，輕量化效果十分明顯。如材料為a+8型鈦合金：Ti6A1·4V。其較好的塑性可進行冷、熱加工。經(jīng)淬火、時效處理后，強度較好。而質(zhì)量則下降了15％～20％[1]。2.3

6、曲軸材料曲軸是汽車發(fā)動機的關(guān)鍵部件之一，其性能好壞、直接影響到汽車的質(zhì)量和壽命。曲軸在發(fā)動機中承擔(dān)最大負荷和全部功率，承受著強大的、方向不斷變化的彎矩及扭矩，同時經(jīng)受著長時問高速運轉(zhuǎn)的磨損，因此耍求曲軸材質(zhì)具有較高的剛性、疲勞強度和良好的耐磨性能。新型鋁合金復(fù)合材料：90年代以來國外廣泛采用高強度鋁合金來代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料，以實現(xiàn)輕量化。其曲軸采用壓力鑄造纖維和顆粒增強鋁合金復(fù)合材料。2.4機體材料機體是發(fā)動機中單件質(zhì)量最大的零件，一般都超過發(fā)動機質(zhì)量的1／4，甚至接近1／3[1]。減輕它的質(zhì)量是發(fā)動機輕量化的重要途徑。鋁合金是汽車上應(yīng)用最快和最廣的

7、輕金屬，因為鋁合金本身的性能已經(jīng)達到質(zhì)量輕、強度高、耐腐蝕的要求。鋁合金通過強化合金元素其強度大大提高，由于質(zhì)輕、散熱性好等特性，完全滿足了發(fā)動機活塞、氣缸體、氣缸蓋在惡劣環(huán)境下工作的要求。鋁合金氣缸體、氣缸蓋壓鑄成型技術(shù)可以提高凈化、精煉、細化、變質(zhì)等材質(zhì)質(zhì)量控制，使得鋁鑄件質(zhì)量達到一致性和穩(wěn)定性。由于鋁合金密度低，強度性能與灰鑄鐵相近，韌性卻高于灰鑄鐵，且有良好的鑄造性能。鋁合金的發(fā)動機缸體己經(jīng)成為汽車輕量化的首選。這是因為鋁合金缸體質(zhì)量輕，導(dǎo)熱性良好，冷卻液的容量可減少。啟動后，缸體很快達到工作溫度，并且和鋁活塞熱膨脹系數(shù)完全一樣，受熱后

8、間隙變化小，可減少沖擊噪聲和機油消耗。和鋁缸蓋熱膨脹相同，工作可減少冷熱沖擊所產(chǎn)生的熱應(yīng)力。由于目前轎車大多采用發(fā)動機前置驅(qū)動，使用鋁合金缸體缸蓋減輕