汽车缸体铸件铸造工艺研究

・６９４・

垂篙帅熹

汽车缸体铸件铸造工艺研究

王洪磊，许红伍

（苏州健雄职业技术学院中德工程学院，江苏太仓２１５４１１）

ＪｕＩ．２０１５ＶＯＩ．６４

Ｎ０．７

摘要：缸体是汽车发动机的核心部件，针对汽车缸体成形和结构工艺上的缺陷，结合缸体的技术要求，对缸体的成

形工艺进行设计，确定了缸体的制芯方案、分型面、浇注系统、加工余量等成形工艺方案。通过缸体辅助工艺分析，最终确定了制芯工艺参数、组芯工艺、涂料及烘芯工艺、浇注工艺、造型工艺、熔炼工艺、清理及检测工艺，为汽车缸体的研究和开发提供了技术支持。

关键词：汽车缸体；铸造工艺；砂芯中图分类号：ＴＧ２４２

Ｏｎ

文献标识码：Ｂ文章编号：１００ｌ一４９７７（２０１５）０７—０６９４一０５

Ｓｔｕｄｙ

ＴｅＣｈｎＯＩＯｇｙＯｆＡｕｔＯｍＯｂ¨ｅＣｙ¨ｎｄｅｒＢＩＯＣｋＣａＳｔｉｎｇ

ＷＡＮＧ

Ｈｏｎｇ—ｌｅｉ，ＸＵＨｏｎ争、）ｌ，ｕ

Ｃｈｉｅｎ・Ｃｈｉｕｌｌｇｈｌｓｔｉｍｔｅ

（Ｓｉｎｏ－Ｇｅ肌跏Ｅｎ酉ｎｅｅ血ｇＳｃｈｏｏｌ，Ｓｕ吐ｏｕ

ｏｆＴｅｃｌｌＩｌｏｌｏｇｙ，Ｔａｉｃ锄ｇ２１５４１１，Ｊｉ锄ｇｓｕ，ｃｈｉＩｌａ）

ｔｏ

Ａｂ劬ｍｃｔ：ＴｈｅｃｙｌｉｎｄｅｒｉｓｔｈｅｋｅｙｐａｒｔｏｆａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｅｎｇｉＩｌｅ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｈｅｄｅｆｅｃｔｓｏｆａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｃｙｌｉｎｄｅｒ

ｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｅ

ｆｏｍｉｎｇａｎｄｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｃｙｌｉｎｄｅｒ＇ｔｈｅ

ｓｕｃｈ

ａｓｃｏｒｅ

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ｃｙｌｉｎｄｅｒ

ｗａＳ

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ｓ时．ａｃｅ，

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ｐｏｕ血ｇｐｒｏｃｅｓｓ，ｍｏｌｄｉｎｇ，ｍｅｌｔｉｎｇｐＩ－ｏｃｅｓｓ，ｃｌｅａｎｉｎｇａｎｄｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ，ｗｈｉｃｈｐｒｏＶｉｄｅｄｔｅｃｌｍｉｃａｌｓｕｐｐｏｎ

ｆｏｒｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈａｌｌｄｄｅＶｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａｌｌｔｏｍｏｂｉｌｅｃｙｌｉｎｄｅｒ．

Ｋ毋硼ｌｒｄｓ：ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｃｙｌｉｎｄｅｒ；ｃａｓｔｉｎｇｔｅｃｌｌＩｌ０１０９ｙ；ｓａｎｄｃｏｒｅ

汽车缸体技术难度大，国内铸造原材料质量参差

后，很多研究成果居国际先进水平，但转化为现实生

不齐，加上建厂周期长，从模具调试到样件鉴定并非一帆风顺，直到现在国内一些品牌汽车的缸体毛坯仍依赖进口。汽车缸体铸造工艺的研究与开发是国内汽

车行业的重中之重。

产力的少，掌握汽车缸体这种复杂零件的铸造生产技术水平的仅限于少数骨干企业，行业整体技术水平落后，从而导致铸件质量差，材料、能源消耗高，经济效益差，污染严重，有的企业废品率高达３０％。

缸体属于大型复杂腔体铸件，要提高产品质量，降低废品率和污染，关键在于缸体铸造工艺的分析、铸件工艺设计和缸体辅助工艺设计上。１

国外各铸造厂生产轿车缸体一般采用先进的铸造方法。欧美多采用冷芯盒制芯中心制芯，日本则广泛采用覆膜砂热芯盒工艺；造型多采用高压、气冲或静压自动造型线，也有采用大型挤压线生产“Ｖ”形缸体的先例；一般采用机械手下芯、双联熔炼、气体保温炉浇

注、机械手落砂、自动化清理及在线检测等工艺。由于

技术要求

缸体是典型的薄壁、高强度、高硬度、高致密性

有一流的技术水平、管理水平和优质的原材料、先进工装、设备作保证，铸件质量也是世界一流【１】。

我国大量生产汽车发动机缸体自５０年代中期一汽铸造厂开始，至今已６０多年，现已发展到有二十几家铸造厂能大量生产汽车发动机缸体。例如，１９９９年投资近５亿元在烟台建成的大宇铸造厂（现为上海通用烟

台动力）【２】。２０００年，上海大众和意大利的泰克西公司

铸件，缸体结构如图１所示，其主要特性指标如下：①

主要壁厚４．３ｍｍ±ｏ．５ｍｍ；②材质为ＧＬＢｌ（法国标

准），相当于国标ＨＴ２５０；③要求５０

ｌ砌缸筒硬度船

２０７—２４１，基体珠光体量≥９５％，游离碳化物≤２％，以Ａ型石墨为主，长度３～５级，不允许Ｃ型；④表面粗糙度尺。≤２５恤ｍ；⑤铸件尺寸精度相当于ＣＴ７～ｃＴ８级翻；⑥水道试验压力为０．２ＭＰａ时，允许空气泄漏量

最大值８ｍＩ／ｍｉｎ；回油道试验压力为０．１ⅫＰａ时，允许

共同投资近１亿美元在镇江兴建年产１００万只缸体的大型铸造厂。总体上，我国铸造领域的学术研究并不落

收稿日期：２０１４一ｌｌ一１３收到初稿，２０１４一１２—３１收到修订稿。

空气泄漏量最大值５

ｍＬ／ｍｉｎ。

作者简介：王洪磊（１９７９一），男，讲师，主要研究方向为产品成形工艺和模具设计与制造。Ｅ－ｍａｉｌ：１８４２４２４２＠ｑｑ．ｃｏｍ

铸造

王洪磊等：汽车缸体铸件铸造工艺研究

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性能要求，防止铸造缺陷，改善切削加工性能，在熔化工艺上有较大难度。

２．２结构工艺分析

该零件结构复杂，缸孔、水套、曲轴箱、水泵孔、回油孔等结构由砂芯形成，每个铸件各需一个水套芯、

顶面芯、前端芯、后端芯、水泵芯、大油道芯、小油

道芯及四个曲轴箱芯，计１１个砂芯。为保证铸件壁厚并满足其尺寸精度要求，水套芯和顶面芯、水泵芯与端面芯、大油道芯与四个曲轴箱砂芯要预组合，还需专用下芯夹具组合下芯，并保证合箱精度。另外，砂芯在高温铁液作用下，易产生变形，严重时产生断芯；由于砂芯多，整套砂芯发气量大，极易产生气孔；由

图１缸体结构

Ｆｉｇ．１ＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅｃｙｌｉＩｌｄｅｒ

于铸件壁薄、结构复杂，在生产过程中易产生裂纹，

ｓｔｍｃｔｕｒｅ

落砂时易打坏铸件【４］。

２铸造工艺分析

２．１成形工艺分析

该缸体不镶缸套，为防止汽缸擦伤和磨损，要求其表面必须具有合适的冶金性能；在汽缸体水泵孔或螺栓孔等处，由于冶金及凝固特性，容易产生枝晶间缩松，造成铸件渗漏；由于产品结构的原因，该零件

油底壳法兰面和离合器端面存在孤立的较大热节，易

３铸件工艺设计

３．１制定工艺方案

（１）造型方案选择

缸体的外形尺寸为３９４．２ｍｍ×３４４．５

（２）制芯方案选择嘲

ｎⅡｎ×２７２．３ｍｍ，

按分型面吃砂量６０ｎ１１１１、砂型厚度≥６０ｍｍ计算。

综合分析缸体砂芯特点（表１），选择表２的制芯方

案。

在此产生缩孔缺陷。因此，要使该薄壁高强度铸件达

到ＨＴ２５０材质，并满足缸孑Ｌ、螺栓孔及油底壳法兰面

表１缸体砂芯特点及工艺要求

Ｔａｂｌｅ１ｓａｎｄ

ｃｏｒｅ

ｆ切ｔＩ】畔ｓ

ａｎｄｔｅｃｈＩＩｏｌｏｇｙｒｅｑｌｌｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｃｙｌｉｌｌｄｅｒ

３．２成形工艺设计

（１）分型面

于水套芯排气和型腔排气，将进气侧面放在上型，排

气侧面放在下型。

（２）浇注位置及浇冒系统

该分型面通过缸孔和曲轴孔中心，将缸体基本对

称分开。缸体进气侧面有机油滤清器结构及３个工艺孔，排气侧面有４个工艺孔，且支座搭子呈细长结构（日／Ｄ＝１．５～２，日为搭子高度，Ｄ为搭子直径）。为有利

浇口杯位置按每型两个铸件布置，浇口杯位于型

板中心线上，两个铸件对称分布。采用半封闭半开放阶梯式浇注系统（图２）。过滤网位于直浇道窝上部，

ＪｕＩ．２０１５

・６９６・

ＦＯＵＮＤＲＹＶＯＩ．６４Ｎ０．７

阻流位于过滤网后面，横浇道一部分由曲轴箱砂芯形成，另一部分由下型砂胎形成。内浇口分上、中、下三层，下层内浇口位于横浇道上，与铸件油底壳面相连；上、中两层内浇口由分浇道与横浇道相连，通向

瓦座两侧。该浇注系统有利于撇渣、控制铁液流量，

出现气孔、冷隔等缺陷同。

铁液温度在型腔内分布也较为均匀【司。

其浇注系统组元截面积之比为：∑瞻：∑始滤网：∑Ｆ阻：∑聩：∑％＝１．６５：１．８２：１：１．２５：３．３４。

上、中、下三层内浇口截面积之比为：∑ＦＥ内：

∑脚内：∑Ｆ下内＝１．４３：０．９３：１。

１—７：冒口

图３缸体进水面冒口示意图

Ｆ远．３

Ｔｈｅｓｋｅｔｃｈｍａｐｏｆｒｉｓｅｒｉｍｏｔｈｅｗａｔｅｒｓｕｒｆａｃｅ

ｆ研ｃｙｌｉｎｄｅｒ

３．３铸件主要部位加工余量

根据缸体加工工艺要求，确定缸体主要部位的加工余量，见表３。３．４收缩尺寸

中内浇口

收缩尺寸：铸件长度方向缩尺为１．１％，宽度方向

缩尺为０．５％，高度方向缩尺为１％。

下内浇口

３．５芯撑大小及数量

共有两种芯撑，其中：撑大小为３７

芯两缸之间。

ｍｍ×２５ｍｍ×２

图２浇注系统示意图

Ｆｉｇ．２

“工”字形芯撑大小为

“回”字形芯

Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｎｌｏｆｔｈｅｇａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍ

多１６ｍｍ×７ｍｍ，２个／件，分布在上箱；

一般情况下，在充型过程中冷铁液会聚集在上型

表面四周，适当设置排冷铁液冒口（图３）能避免铸件

ｎｕｎ，３个／件，分布在水套

表３铸件主要部位加工余量

ＴａｂＩｅ３

Ｍ戢ｌｌｉＩｌｉⅡｇａｌｌｏｗａ眦ｅ

ｏｆｔｌＩｅ

ｍｉｎ

ｐａｎｓｆｏｒ

ｃ鼬恤ｇ

３．６砂芯结构设计

缸体产品结构复杂，需要制作多个砂芯，表４是缸

体砂芯结构的主要技术指标。

定位，再以曲轴箱芯头终定位。

（２）配芯时，以先下到配芯夹具上的组合元棒芯为初定位，再将顶面．水套组合芯套上，然后用两侧的端面芯将组合元棒芯及两边的顶面．水套组合芯卡紧

（图４）。

ｍｍ的排气孔。

３．７排气及封火设计

（１）在水套芯脚和工艺孑Ｌ分别钻１２个中３ｍｍ×

１００

ｍｍ和４个中４

ｍｍ×１５

（３）下芯夹具抓取砂芯时，先夹紧端面芯、顶面芯，压住组合元棒芯、端面芯及顶面芯，再抓紧端面

芯。吊运过程中，端面芯是整套砂芯的支撑砂芯。

（２）在上箱４个工艺孔上套２ｍｍ厚的封火垫片，

该垫片由耐火材料制成，至少可压缩５０％。

（３）上型与砂芯芯头配合处一周封火。

（４）下芯时两级定位，即先在分型面上预定位，

再在高度方向上精定位。

３．８过程尺寸控制设计

（１）元棒芯组合时，先以联体砂芯两端的元棒预

（５）上下型侧面封火槽与端面芯过盈配合，下芯

后可篙。篡墓元棒芯曲轴箱芯头、顶面

（６）端面芯芯头、组合元棒芯曲轴箱芯头、顶面

芯芯头为砂芯在型内的支撑芯头。

铸造

王洪磊等：汽车缸体铸件铸造工艺研究

・６９７・

４

＿ｒ

缸体辅助工艺设计毗附俐圳一厶隧川

制芯工艺

４．１

缸体制芯工艺参数【８】见表５。

鼢穹淤锱

、０，、

，１．Ｌ是儿

ｊ粝

痛心姆，，

ｃｏｒｅ

（１）由于顶面芯顶部厚实，为避免顶部出现较大范围起皮，保证其刚性，通过实践摸索，制定了芯盒温度适中而固化时间较长的工艺参数。

（２）水套芯具有壁薄、结构复杂的特点，顶芯较

为困难，制定了芯盒温度适中而固化时间稍短的工艺参数。

１．水泵芯２＿／』、油道芯３．大油道芯４．元棒芯５．端面芯

６．水套．顶面组合芯图４砂芯组合图

Ｆｉｇ．４Ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｃｈａｒｔ

（３）小油道芯壁薄，固化时间偏长易导致砂芯酥脆。

（４）曲轴箱芯和端面芯厚大，进行两次定量有利于

ｆｏｒｓ锄ｄ

砂芯固化透，净化时间稍长有利于将砂芯中余胺排出。

表４砂芯结构

Ｔａｂｌｅ４Ｓａｎｄ

ｃｏｒｅ

ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

表５制芯工艺参数

Ｔａｂｌｅ５Ｔｈｅｐｒｏｃｅ璐ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｆｏｒｔｈｅｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆ鼢ｎｄ

ｃｏｒｅ

４１２组芯工艺

（１）用胶将水泵芯和水套芯分别粘至端面芯和顶面芯上。

（２）在专用组芯台上用螺栓将大油道芯和元棒芯固定起来。

（３）组芯完之后，用塞规对砂芯进行检查。

４．３涂料及烘芯工艺

（１）涂料工艺

采用浸涂方式，局部芯头不上涂料；涂料粘度控制在１ｌ～１３ｓ，比重控制在１．２０～１．３０∥ｃｍ３。

ＪｕＩ。２０１５

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ＦＯＵＮＤＲＹ

ＶＯＩ．６４

ＮＯ．７

（２）烘芯炉参数４．８清理及检测工艺

缸体经过两次抛丸，飞边经磨床磨削和流水线人工清理去除，并进行在线测漏和磁粉探伤，铸件防锈

ｃｏｒｅ

烘芯炉参数见表６。

表６烘芯炉参数

ＴａｂＩｅ６Ｄｒｙｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓｆｏｒｓａｎｄ

采用外表喷油漆和内腔喷防锈液的办法。具体流程如下：一次落砂＿冷却＿二次落砂＿悬挂抛丸＿磨床清理－÷人工清理＿测漏一磁粉探伤＿鼠笼抛丸＿÷二次检查＿吹内腔－÷防锈－÷入库。

４．４砂芯后处理工艺

砂芯后处理工艺如图５所示。

ｌ组合芯钻ｆＬｌ’ｌ粘上３个耐火垫片ｌｌ“回”形芯撑ｌ噩暮忑套蠢Ｈ蠢圭；禾器炎萎并Ｈ铃啬享蓑惹鏊３个Ｈ錾尘黎蔷葱耋ＩＩ放在端面芯上Ｉ

＋

●

＋

●

５结束语

通过汽车缸体铸件铸造工艺研究，解决了缸体渗漏的问题；降低了缸体内部组织的缩孑Ｌ缺陷，改善了缸体的切削加工性能；通过合理的定位，保证了合箱的精度，降低了砂芯的变形；通过排气孑Ｌ的设计，降低了缸体腔体狭缝极易产生气孔的可能；合理的制芯

ｃｏｒｅ

顶面一水套组合芯

：：端面芯、小油道芯：

图５砂芯后处理工艺

Ｆｉｇ．５Ｐｏｓｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓ

ｆｏｒｓａｎｄ

方案、冒口设计和涂料及烘芯工艺降低了缸体薄壁处

产生裂纹及落砂的缺陷。这为以后的继续开发积累了丰富的铸造工艺经验。

参考文献：

４．５造型工艺

（１）型板预热３０～３５℃。

（２’！苎堡望：清苎二耋警、丐毪。：．．．．．（３）砂型硬度（ｃ型硬度计）：上箱芯头处，５０～

６０；下箱芯头处，６０～７０。

（４）扎针数量：≥３５根。

‘】。另。＃嘉．汽车工业发展与汽车发动机灰铸铁缸体生产技术［Ｊ］．铸

造，２００１，５０（１２）：７４６—７５１．

［２］黄天佑．我国砂型铸造工艺与造型材料技术发展回顾【Ｊ】铸造，

２００２，５ｌ（５）：２５７—２６１．

（５）为保证上型通气孔扎穿而又不造成较大“掀顶”，使用了防掀弹簧压板。其工作时序如下：上箱定

【３］施志辉，郑新毅，余初静，等・面向制造的缸体零件三维建模技

位＿弹簧压板向下压住砂胎砘针板向上运动乱针

板向下运动－÷弹簧压板向上运动＿÷推箱。当扎针板向

上运动扎针开始工作时，由于压板已将凸出砂胎压住，这样就避免了顶部砂胎大面积掀起【９】。

【４】焉．罢篡怒裂巍然ｉ缺陷防止［帱造，

２０１４，６３（７）：７２ｌ一７２５．

【５】邹化仲．ｊ乙胺法冷芯盒制芯工艺的应用及探讨［Ｊ］．汽车工艺与

材料，１９９７（１）：１４—１６．

［６】中国铸造协会・铸造工程师手册［Ｍ】・北京：机械工业出版社，２０１０－

４。６

熔炼工艺

采用１０ｔ工频炉熔炼，铁液成分经ｃ—ｓ分析仪和光

［７１裂ｊ协冀耄铸铁件铸造：【艺的优化设计［１】・铸造，２００７’５６

［８］黄政．汽车发动机缸体的铸造工艺［Ｊ］铸造，２００８，５７（１０）：

１０７８—１０８０．

谱仪快速检验后进行调整。采用普通生铁、废钢、回

炉料配料，增Ｓ，Ｃｕ、Ｓｎ微合金化。

４．７

浇注工艺

采用专用浇注机倒包后浇注，进行随流孕育。浇注

［９］陈琦，彭兆弟．铸造技术问题对策［Ｍ］．北京：机械工业出版社，

２００８－

温度控制在１３８０～１４３０℃，浇注速度控制在１８ｓ左右。

（上接第６９３页

（编辑：刘闯，ｌｉｕｃ＠ｆｏｕｎｄ哪Ｖｏｒｌｄ・ｃｏｍ）

稀土镧的加入量为ｏ．３％时，可获得较高的冲击韧性和

较好的耐磨性。

参考文献：

【ｌ】赵越超，付大军．高铬铸铁锚喷机分料盘铸件的研制［Ｊ］．铸造，

２００３

（７）：５２５—５２７．

（ａ）Ｎｏ（ｂ）Ｎｏ３

［２】赵晚子，吴国胜，籍巧英．稀土在高铬铸铁轧辊中的作用研究【Ｊ】．

武汉‘Ｉ：程职业技术学院学报，２００５，１７（３）：４—７．

ａｔ

图２

ｌ

０５０℃淬火／３００℃回火的组织（２５０×）

ｑｕｅｎｃｈｅｄ

ａｔ

Ｆ远．２ＭｉｃｒｏｓｔｍｃｔＩｌｒｅｓ１０５０℃ａｎｄｔｅｍｐｅｒｅｄ３００℃

［３］陈国香，罗忠民．镧稀土合金变质处理对铸铁组织的影响【Ｊ］．现

代铸铁，１９９９（４）：２８—３０．

３结论

（１）适当的热处理温度，可提高冲击韧性。（２）添加适量的稀土，有助于力学性能的提高；

［４】赵越超，张连勇，码壮．稀土在铸造纯铜中吸收率及对组织的影

响［Ｊ】．铸造，２００４，５３（９）：７４２—７４４．

（编辑：刘闯，ｌｉｕｃ＠ｆｏｕｎｄ哪ｖｏｒｌｄ．ｃｏｍ）

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垂篙帅熹

汽车缸体铸件铸造工艺研究

王洪磊，许红伍

（苏州健雄职业技术学院中德工程学院，江苏太仓２１５４１１）

ＪｕＩ．２０１５ＶＯＩ．６４

Ｎ０．７

摘要：缸体是汽车发动机的核心部件，针对汽车缸体成形和结构工艺上的缺陷，结合缸体的技术要求，对缸体的成

形工艺进行设计，确定了缸体的制芯方案、分型面、浇注系统、加工余量等成形工艺方案。通过缸体辅助工艺分析，最终确定了制芯工艺参数、组芯工艺、涂料及烘芯工艺、浇注工艺、造型工艺、熔炼工艺、清理及检测工艺，为汽车缸体的研究和开发提供了技术支持。

关键词：汽车缸体；铸造工艺；砂芯中图分类号：ＴＧ２４２

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文献标识码：Ｂ文章编号：１００ｌ一４９７７（２０１５）０７—０６９４一０５

Ｓｔｕｄｙ

ＴｅＣｈｎＯＩＯｇｙＯｆＡｕｔＯｍＯｂ¨ｅＣｙ¨ｎｄｅｒＢＩＯＣｋＣａＳｔｉｎｇ

ＷＡＮＧ

Ｈｏｎｇ—ｌｅｉ，ＸＵＨｏｎ争、）ｌ，ｕ

Ｃｈｉｅｎ・Ｃｈｉｕｌｌｇｈｌｓｔｉｍｔｅ

（Ｓｉｎｏ－Ｇｅ肌跏Ｅｎ酉ｎｅｅ血ｇＳｃｈｏｏｌ，Ｓｕ吐ｏｕ

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ｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｅ

ｆｏｍｉｎｇａｎｄｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｃｙｌｉｎｄｅｒ＇ｔｈｅ

ｓｕｃｈ

ａｓｃｏｒｅ

ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｔｈｅｆｏｍｌｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｓｃｈｅｍｅｓｗｅｒｅｄｅｔｅ吼ｉｎｅｄｇａｔｉｎｇｓｙｓｔｅ弛ｍａｃｈｉｎｉｎｇａｌｌｏｗａｎｃｅ．Ｔｈｒｏｕ曲ｔｈｅｃｙｌｉｎｄｅｒ

ｗｅｒｅ

ｆｏｍｉｎｇ

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ｍａｋｉｎｇｐｌａｌｌ，ｃｙｌｉｎｄｅｒｐａｎｉｎｇ

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ｄｅｔｅｍｉｎｅｄ，ｔｈｅｃｏｒｅｍａｌ【ｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｐａｒａｍｅｔｅ琏ｃｏｒｅａｓｓｅｍｂｌｙｃｏａｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ’ａｎｄｃｏｒｅｄｒｙｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，

ｐｏｕ血ｇｐｒｏｃｅｓｓ，ｍｏｌｄｉｎｇ，ｍｅｌｔｉｎｇｐＩ－ｏｃｅｓｓ，ｃｌｅａｎｉｎｇａｎｄｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ，ｗｈｉｃｈｐｒｏＶｉｄｅｄｔｅｃｌｍｉｃａｌｓｕｐｐｏｎ

ｆｏｒｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈａｌｌｄｄｅＶｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａｌｌｔｏｍｏｂｉｌｅｃｙｌｉｎｄｅｒ．

Ｋ毋硼ｌｒｄｓ：ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｃｙｌｉｎｄｅｒ；ｃａｓｔｉｎｇｔｅｃｌｌＩｌ０１０９ｙ；ｓａｎｄｃｏｒｅ

汽车缸体技术难度大，国内铸造原材料质量参差

后，很多研究成果居国际先进水平，但转化为现实生

不齐，加上建厂周期长，从模具调试到样件鉴定并非一帆风顺，直到现在国内一些品牌汽车的缸体毛坯仍依赖进口。汽车缸体铸造工艺的研究与开发是国内汽

车行业的重中之重。

产力的少，掌握汽车缸体这种复杂零件的铸造生产技术水平的仅限于少数骨干企业，行业整体技术水平落后，从而导致铸件质量差，材料、能源消耗高，经济效益差，污染严重，有的企业废品率高达３０％。

缸体属于大型复杂腔体铸件，要提高产品质量，降低废品率和污染，关键在于缸体铸造工艺的分析、铸件工艺设计和缸体辅助工艺设计上。１

国外各铸造厂生产轿车缸体一般采用先进的铸造方法。欧美多采用冷芯盒制芯中心制芯，日本则广泛采用覆膜砂热芯盒工艺；造型多采用高压、气冲或静压自动造型线，也有采用大型挤压线生产“Ｖ”形缸体的先例；一般采用机械手下芯、双联熔炼、气体保温炉浇

注、机械手落砂、自动化清理及在线检测等工艺。由于

技术要求

缸体是典型的薄壁、高强度、高硬度、高致密性

有一流的技术水平、管理水平和优质的原材料、先进工装、设备作保证，铸件质量也是世界一流【１】。

我国大量生产汽车发动机缸体自５０年代中期一汽铸造厂开始，至今已６０多年，现已发展到有二十几家铸造厂能大量生产汽车发动机缸体。例如，１９９９年投资近５亿元在烟台建成的大宇铸造厂（现为上海通用烟

台动力）【２】。２０００年，上海大众和意大利的泰克西公司

铸件，缸体结构如图１所示，其主要特性指标如下：①

主要壁厚４．３ｍｍ±ｏ．５ｍｍ；②材质为ＧＬＢｌ（法国标

准），相当于国标ＨＴ２５０；③要求５０

ｌ砌缸筒硬度船

２０７—２４１，基体珠光体量≥９５％，游离碳化物≤２％，以Ａ型石墨为主，长度３～５级，不允许Ｃ型；④表面粗糙度尺。≤２５恤ｍ；⑤铸件尺寸精度相当于ＣＴ７～ｃＴ８级翻；⑥水道试验压力为０．２ＭＰａ时，允许空气泄漏量

最大值８ｍＩ／ｍｉｎ；回油道试验压力为０．１ⅫＰａ时，允许

共同投资近１亿美元在镇江兴建年产１００万只缸体的大型铸造厂。总体上，我国铸造领域的学术研究并不落

收稿日期：２０１４一ｌｌ一１３收到初稿，２０１４一１２—３１收到修订稿。

空气泄漏量最大值５

ｍＬ／ｍｉｎ。

作者简介：王洪磊（１９７９一），男，讲师，主要研究方向为产品成形工艺和模具设计与制造。Ｅ－ｍａｉｌ：１８４２４２４２＠ｑｑ．ｃｏｍ

铸造

王洪磊等：汽车缸体铸件铸造工艺研究

・６９５・

性能要求，防止铸造缺陷，改善切削加工性能，在熔化工艺上有较大难度。

２．２结构工艺分析

该零件结构复杂，缸孔、水套、曲轴箱、水泵孔、回油孔等结构由砂芯形成，每个铸件各需一个水套芯、

顶面芯、前端芯、后端芯、水泵芯、大油道芯、小油

道芯及四个曲轴箱芯，计１１个砂芯。为保证铸件壁厚并满足其尺寸精度要求，水套芯和顶面芯、水泵芯与端面芯、大油道芯与四个曲轴箱砂芯要预组合，还需专用下芯夹具组合下芯，并保证合箱精度。另外，砂芯在高温铁液作用下，易产生变形，严重时产生断芯；由于砂芯多，整套砂芯发气量大，极易产生气孔；由

图１缸体结构

Ｆｉｇ．１ＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅｃｙｌｉＩｌｄｅｒ

于铸件壁薄、结构复杂，在生产过程中易产生裂纹，

ｓｔｍｃｔｕｒｅ

落砂时易打坏铸件【４］。

２铸造工艺分析

２．１成形工艺分析

该缸体不镶缸套，为防止汽缸擦伤和磨损，要求其表面必须具有合适的冶金性能；在汽缸体水泵孔或螺栓孔等处，由于冶金及凝固特性，容易产生枝晶间缩松，造成铸件渗漏；由于产品结构的原因，该零件

油底壳法兰面和离合器端面存在孤立的较大热节，易

３铸件工艺设计

３．１制定工艺方案

（１）造型方案选择

缸体的外形尺寸为３９４．２ｍｍ×３４４．５

（２）制芯方案选择嘲

ｎⅡｎ×２７２．３ｍｍ，

按分型面吃砂量６０ｎ１１１１、砂型厚度≥６０ｍｍ计算。

综合分析缸体砂芯特点（表１），选择表２的制芯方

案。

在此产生缩孔缺陷。因此，要使该薄壁高强度铸件达

到ＨＴ２５０材质，并满足缸孑Ｌ、螺栓孔及油底壳法兰面

表１缸体砂芯特点及工艺要求

Ｔａｂｌｅ１ｓａｎｄ

ｃｏｒｅ

ｆ切ｔＩ】畔ｓ

ａｎｄｔｅｃｈＩＩｏｌｏｇｙｒｅｑｌｌｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｃｙｌｉｌｌｄｅｒ

３．２成形工艺设计

（１）分型面

于水套芯排气和型腔排气，将进气侧面放在上型，排

气侧面放在下型。

（２）浇注位置及浇冒系统

该分型面通过缸孔和曲轴孔中心，将缸体基本对

称分开。缸体进气侧面有机油滤清器结构及３个工艺孔，排气侧面有４个工艺孔，且支座搭子呈细长结构（日／Ｄ＝１．５～２，日为搭子高度，Ｄ为搭子直径）。为有利

浇口杯位置按每型两个铸件布置，浇口杯位于型

板中心线上，两个铸件对称分布。采用半封闭半开放阶梯式浇注系统（图２）。过滤网位于直浇道窝上部，

ＪｕＩ．２０１５

・６９６・

ＦＯＵＮＤＲＹＶＯＩ．６４Ｎ０．７

阻流位于过滤网后面，横浇道一部分由曲轴箱砂芯形成，另一部分由下型砂胎形成。内浇口分上、中、下三层，下层内浇口位于横浇道上，与铸件油底壳面相连；上、中两层内浇口由分浇道与横浇道相连，通向

瓦座两侧。该浇注系统有利于撇渣、控制铁液流量，

出现气孔、冷隔等缺陷同。

铁液温度在型腔内分布也较为均匀【司。

其浇注系统组元截面积之比为：∑瞻：∑始滤网：∑Ｆ阻：∑聩：∑％＝１．６５：１．８２：１：１．２５：３．３４。

上、中、下三层内浇口截面积之比为：∑ＦＥ内：

∑脚内：∑Ｆ下内＝１．４３：０．９３：１。

１—７：冒口

图３缸体进水面冒口示意图

Ｆ远．３

Ｔｈｅｓｋｅｔｃｈｍａｐｏｆｒｉｓｅｒｉｍｏｔｈｅｗａｔｅｒｓｕｒｆａｃｅ

ｆ研ｃｙｌｉｎｄｅｒ

３．３铸件主要部位加工余量

根据缸体加工工艺要求，确定缸体主要部位的加工余量，见表３。３．４收缩尺寸

中内浇口

收缩尺寸：铸件长度方向缩尺为１．１％，宽度方向

缩尺为０．５％，高度方向缩尺为１％。

下内浇口

３．５芯撑大小及数量

共有两种芯撑，其中：撑大小为３７

芯两缸之间。

ｍｍ×２５ｍｍ×２

图２浇注系统示意图

Ｆｉｇ．２

“工”字形芯撑大小为

“回”字形芯

Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｎｌｏｆｔｈｅｇａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍ

多１６ｍｍ×７ｍｍ，２个／件，分布在上箱；

一般情况下，在充型过程中冷铁液会聚集在上型

表面四周，适当设置排冷铁液冒口（图３）能避免铸件

ｎｕｎ，３个／件，分布在水套

表３铸件主要部位加工余量

ＴａｂＩｅ３

Ｍ戢ｌｌｉＩｌｉⅡｇａｌｌｏｗａ眦ｅ

ｏｆｔｌＩｅ

ｍｉｎ

ｐａｎｓｆｏｒ

ｃ鼬恤ｇ

３．６砂芯结构设计

缸体产品结构复杂，需要制作多个砂芯，表４是缸

体砂芯结构的主要技术指标。

定位，再以曲轴箱芯头终定位。

（２）配芯时，以先下到配芯夹具上的组合元棒芯为初定位，再将顶面．水套组合芯套上，然后用两侧的端面芯将组合元棒芯及两边的顶面．水套组合芯卡紧

（图４）。

ｍｍ的排气孔。

３．７排气及封火设计

（１）在水套芯脚和工艺孑Ｌ分别钻１２个中３ｍｍ×

１００

ｍｍ和４个中４

ｍｍ×１５

（３）下芯夹具抓取砂芯时，先夹紧端面芯、顶面芯，压住组合元棒芯、端面芯及顶面芯，再抓紧端面

芯。吊运过程中，端面芯是整套砂芯的支撑砂芯。

（２）在上箱４个工艺孔上套２ｍｍ厚的封火垫片，

该垫片由耐火材料制成，至少可压缩５０％。

（３）上型与砂芯芯头配合处一周封火。

（４）下芯时两级定位，即先在分型面上预定位，

再在高度方向上精定位。

３．８过程尺寸控制设计

（１）元棒芯组合时，先以联体砂芯两端的元棒预

（５）上下型侧面封火槽与端面芯过盈配合，下芯

后可篙。篡墓元棒芯曲轴箱芯头、顶面

（６）端面芯芯头、组合元棒芯曲轴箱芯头、顶面

芯芯头为砂芯在型内的支撑芯头。

铸造

王洪磊等：汽车缸体铸件铸造工艺研究

・６９７・

４

＿ｒ

缸体辅助工艺设计毗附俐圳一厶隧川

制芯工艺

４．１

缸体制芯工艺参数【８】见表５。

鼢穹淤锱

、０，、

，１．Ｌ是儿

ｊ粝

痛心姆，，

ｃｏｒｅ

（１）由于顶面芯顶部厚实，为避免顶部出现较大范围起皮，保证其刚性，通过实践摸索，制定了芯盒温度适中而固化时间较长的工艺参数。

（２）水套芯具有壁薄、结构复杂的特点，顶芯较

为困难，制定了芯盒温度适中而固化时间稍短的工艺参数。

１．水泵芯２＿／』、油道芯３．大油道芯４．元棒芯５．端面芯

６．水套．顶面组合芯图４砂芯组合图

Ｆｉｇ．４Ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｃｈａｒｔ

（３）小油道芯壁薄，固化时间偏长易导致砂芯酥脆。

（４）曲轴箱芯和端面芯厚大，进行两次定量有利于

ｆｏｒｓ锄ｄ

砂芯固化透，净化时间稍长有利于将砂芯中余胺排出。

表４砂芯结构

Ｔａｂｌｅ４Ｓａｎｄ

ｃｏｒｅ

ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

表５制芯工艺参数

Ｔａｂｌｅ５Ｔｈｅｐｒｏｃｅ璐ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｆｏｒｔｈｅｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆ鼢ｎｄ

ｃｏｒｅ

４１２组芯工艺

（１）用胶将水泵芯和水套芯分别粘至端面芯和顶面芯上。

（２）在专用组芯台上用螺栓将大油道芯和元棒芯固定起来。

（３）组芯完之后，用塞规对砂芯进行检查。

４．３涂料及烘芯工艺

（１）涂料工艺

采用浸涂方式，局部芯头不上涂料；涂料粘度控制在１ｌ～１３ｓ，比重控制在１．２０～１．３０∥ｃｍ３。

ＪｕＩ。２０１５

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ＦＯＵＮＤＲＹ

ＶＯＩ．６４

ＮＯ．７

（２）烘芯炉参数４．８清理及检测工艺

缸体经过两次抛丸，飞边经磨床磨削和流水线人工清理去除，并进行在线测漏和磁粉探伤，铸件防锈

ｃｏｒｅ

烘芯炉参数见表６。

表６烘芯炉参数

ＴａｂＩｅ６Ｄｒｙｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓｆｏｒｓａｎｄ

采用外表喷油漆和内腔喷防锈液的办法。具体流程如下：一次落砂＿冷却＿二次落砂＿悬挂抛丸＿磨床清理－÷人工清理＿测漏一磁粉探伤＿鼠笼抛丸＿÷二次检查＿吹内腔－÷防锈－÷入库。

４．４砂芯后处理工艺

砂芯后处理工艺如图５所示。

ｌ组合芯钻ｆＬｌ’ｌ粘上３个耐火垫片ｌｌ“回”形芯撑ｌ噩暮忑套蠢Ｈ蠢圭；禾器炎萎并Ｈ铃啬享蓑惹鏊３个Ｈ錾尘黎蔷葱耋ＩＩ放在端面芯上Ｉ

＋

●

＋

●

５结束语

通过汽车缸体铸件铸造工艺研究，解决了缸体渗漏的问题；降低了缸体内部组织的缩孑Ｌ缺陷，改善了缸体的切削加工性能；通过合理的定位，保证了合箱的精度，降低了砂芯的变形；通过排气孑Ｌ的设计，降低了缸体腔体狭缝极易产生气孔的可能；合理的制芯

ｃｏｒｅ

顶面一水套组合芯

：：端面芯、小油道芯：

图５砂芯后处理工艺

Ｆｉｇ．５Ｐｏｓｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓ

ｆｏｒｓａｎｄ

方案、冒口设计和涂料及烘芯工艺降低了缸体薄壁处

产生裂纹及落砂的缺陷。这为以后的继续开发积累了丰富的铸造工艺经验。

参考文献：

４．５造型工艺

（１）型板预热３０～３５℃。

（２’！苎堡望：清苎二耋警、丐毪。：．．．．．（３）砂型硬度（ｃ型硬度计）：上箱芯头处，５０～

６０；下箱芯头处，６０～７０。

（４）扎针数量：≥３５根。

‘】。另。＃嘉．汽车工业发展与汽车发动机灰铸铁缸体生产技术［Ｊ］．铸

造，２００１，５０（１２）：７４６—７５１．

［２］黄天佑．我国砂型铸造工艺与造型材料技术发展回顾【Ｊ】铸造，

２００２，５ｌ（５）：２５７—２６１．

（５）为保证上型通气孔扎穿而又不造成较大“掀顶”，使用了防掀弹簧压板。其工作时序如下：上箱定

【３］施志辉，郑新毅，余初静，等・面向制造的缸体零件三维建模技

位＿弹簧压板向下压住砂胎砘针板向上运动乱针

板向下运动－÷弹簧压板向上运动＿÷推箱。当扎针板向

上运动扎针开始工作时，由于压板已将凸出砂胎压住，这样就避免了顶部砂胎大面积掀起【９】。

【４】焉．罢篡怒裂巍然ｉ缺陷防止［帱造，

２０１４，６３（７）：７２ｌ一７２５．

【５】邹化仲．ｊ乙胺法冷芯盒制芯工艺的应用及探讨［Ｊ］．汽车工艺与

材料，１９９７（１）：１４—１６．

［６】中国铸造协会・铸造工程师手册［Ｍ】・北京：机械工业出版社，２０１０－

４。６

熔炼工艺

采用１０ｔ工频炉熔炼，铁液成分经ｃ—ｓ分析仪和光

［７１裂ｊ协冀耄铸铁件铸造：【艺的优化设计［１】・铸造，２００７’５６

［８］黄政．汽车发动机缸体的铸造工艺［Ｊ］铸造，２００８，５７（１０）：

１０７８—１０８０．

谱仪快速检验后进行调整。采用普通生铁、废钢、回

炉料配料，增Ｓ，Ｃｕ、Ｓｎ微合金化。

４．７

浇注工艺

采用专用浇注机倒包后浇注，进行随流孕育。浇注

［９］陈琦，彭兆弟．铸造技术问题对策［Ｍ］．北京：机械工业出版社，

２００８－

温度控制在１３８０～１４３０℃，浇注速度控制在１８ｓ左右。

（上接第６９３页

（编辑：刘闯，ｌｉｕｃ＠ｆｏｕｎｄ哪Ｖｏｒｌｄ・ｃｏｍ）

稀土镧的加入量为ｏ．３％时，可获得较高的冲击韧性和

较好的耐磨性。

参考文献：

【ｌ】赵越超，付大军．高铬铸铁锚喷机分料盘铸件的研制［Ｊ］．铸造，

２００３

（７）：５２５—５２７．

（ａ）Ｎｏ（ｂ）Ｎｏ３

［２】赵晚子，吴国胜，籍巧英．稀土在高铬铸铁轧辊中的作用研究【Ｊ】．

武汉‘Ｉ：程职业技术学院学报，２００５，１７（３）：４—７．

ａｔ

图２

ｌ

０５０℃淬火／３００℃回火的组织（２５０×）

ｑｕｅｎｃｈｅｄ

ａｔ

Ｆ远．２ＭｉｃｒｏｓｔｍｃｔＩｌｒｅｓ１０５０℃ａｎｄｔｅｍｐｅｒｅｄ３００℃

［３］陈国香，罗忠民．镧稀土合金变质处理对铸铁组织的影响【Ｊ］．现

代铸铁，１９９９（４）：２８—３０．

３结论

（１）适当的热处理温度，可提高冲击韧性。（２）添加适量的稀土，有助于力学性能的提高；

［４】赵越超，张连勇，码壮．稀土在铸造纯铜中吸收率及对组织的影

响［Ｊ】．铸造，２００４，５３（９）：７４２—７４４．

（编辑：刘闯，ｌｉｕｃ＠ｆｏｕｎｄ哪ｖｏｒｌｄ．ｃｏｍ）