全鋁風冷發（fā）動機缸套一缸體的製備技術及其傳熱性能研究-鍛壓機（jī）床網-數控（kòng）機床市場網

您現（xiàn）在的（de）位置（zhì）：鍛壓機床（chuáng）網> 技術前沿>全鋁（lǚ）風（fēng）冷發動（dòng）機（jī）缸套一缸體的製備技術（shù）及其傳熱（rè）性能研究

全鋁風冷發動（dòng）機缸套一缸體的製備技術及其傳熱（rè）性能研究

2018-2-5 來源：重慶工程職業技術（shù）學院機械（xiè）工程學院、教務（wù）作者：林雪冬何彼

摘要：采用離心鑄造工（gōng）藝製備了自（zì）生初SifM92Si顆粒增強A1．Si．Mg複合材料汽缸套，並與鋁合（hé）金（jīn）缸體進行壓鑄成形（xíng），形成（chéng）了全鋁合金缸套．缸體。應用熱電偶埋設法，在自（zì）製的五點測溫傳熱實驗裝置上分別檢測並對比分析了風冷發動機鋁合金缸套．鋁合金缸體與鑄鐵缸套．鋁合金缸體的傳熱（rè）性能。研究表明：相比鑄鐵缸套（tào）一缸體，鋁合金缸套-缸體具有更佳的傳熱性能；通過實驗測溫．數據曲線擬合法，推（tuī）算獲得了全鋁合金發動機工作時汽缸的內表麵溫度為231℃，比鑄鐵缸套內表麵溫度低11℃。

關鍵詞：AI．Si—Mgg套；鋁合金缸套一缸體；傳熱性能；熱（rè）電偶

為了達到減重降排增效的目的，近年來，汽車行業已逐步采用（yòng）輕合金(如鋁合金)材料來製備汽（qì）車零部件，如發動機（jī）缸體、活塞均已采用鋁合金材料【l-2]。將鑄鐵缸套鑲鑄在鋁合金缸體（tǐ）中使用是目前我國絕大部分摩托車發動機、通用機械發動機和小排量汽車發動機等采用的方式。利用該種（zhǒng）方式製備的（de）氣缸（gāng），其缸套的內表麵耐磨性能優越；然而，由於鑄鐵缸套與鋁合金（jīn）缸體材質上（shàng）的不同，使得這種（zhǒng）氣缸存在諸多（duō）問題，如熱傳導性能一般，鑄鐵缸套與鋁合金缸體壓鑄成形冶金結合效果欠佳等，使氣缸在使用過程（chéng）中易出現變形、漏氣。鑒於（yú）此，國內（nèi）外紛紛開展鋁合金缸套的製備技術研究[3-”]，成形全鋁（lǚ）發動機缸套一缸體，以解決此類（lèi）I司題。

作（zuò）者在前期（qī）的研究工作（zuò）中采用離心鑄造（zào）工藝製備了自生初晶Si／M92Si顆粒增強Al—Si—Mg合金鑄件，獲得了硬質顆粒增（zēng）強鑄件內壁的鋁合金缸套，具（jù）有較好的摩（mó）擦（cā）學性能和綜合力學性能【協閽，為（wéi）實現成形全鋁（lǚ）發動機缸套．缸體奠定了較好的基（jī）礎。本研究就全鋁發動機缸套．缸（gāng）體的製（zhì）備技術進行了詳細報道，並在這一研究基礎上，應用熱電偶埋設法，在自製的五點測溫傳熱實（shí）驗裝置上，分別對風冷鋁合金缸套一鋁合金缸體（tǐ）與鑄鐵缸套一鋁（lǚ）合金缸體的傳熱性能進行檢測並對比分（fèn）析。通過實驗測溫．數據曲線擬合法推算全鋁合金發動機工作（zuò）時汽缸的（de）內表（biǎo）麵溫度，驗證鋁合金缸套缸體在傳熱方麵的優越性，為實現（xiàn）全鋁發動機缸套缸體的推廣應用提供實（shí）驗數據（jù）。

1 、實驗方法

1．1 缸套尺寸與模（mó）具設計尺寸（cùn）

如圖1a所示，149cc發動機缸套內徑為62 mm，外徑75 IIllll，高（gāo）度110．5 mm；在考慮了毛坯車削加工餘（yú）量後，設計本實驗離（lí）心模具內徑為76 mm，高（gāo）度130 mnl，如圖1b所示。

1．2 材料準備（bèi）與鑄件製備

實驗以工業純（chún）Al、純si、純Mg及A1—18Si一1．2Mg合金為原料，在井式電阻爐中加熱熔煉配製A1．22Si一7Mg合金漿料，采（cǎi）用P—Cu變質劑進行變質處理。澆注工藝為：澆注溫度720～760℃，模具溫度150～200℃，離心轉速R=4 200 r／min。離心鑄造獲得高度129 mm，外圓直徑76 mill，厚度10～1 1 mm的筒狀零件，如圖2所示。

1．3 鋁合金（jīn）缸套一缸體壓鑄（zhù）

149CC發動（dòng）機缸套將使用在風冷發動（dòng）機上，一般采用高壓壓鑄，以（yǐ）形成薄（báo）而密集的散熱片。壓鑄采用3 000 kN高壓鑄造機，壓鑄鋁合金材料為ZLl 13Y。高壓壓鑄時，隻需對缸套進行簡單預（yù）熱或不預熱。壓鑄時，使用壓鑄模具的芯棒對缸套進行定位。

1．4 缸套一鋁合金缸體組合體的傳熱性能測試一

圖2離心鑄造Al—Si—Mg缸套毛坯Fig．2 The AI-Si—Mg liner castings fabricated by centrifugal casting1．3鋁合金缸套一缸體壓鑄149CC發動機缸套（tào）將使用在風冷發動機上，一般采用高壓壓鑄（zhù），以形成薄而密集的（de）散（sàn）熱片。壓鑄采用3 000 kN高壓鑄造機，壓鑄鋁合金材料（liào）為ZLl 13Y。高（gāo）壓壓鑄時，隻需對缸套進行簡單（dān）預熱或不預熱。壓鑄時，使用壓鑄（zhù）模具的（de）芯棒對缸套進行定位。本實（shí）驗設計了一種傳（chuán）熱實驗裝置，對比（bǐ）檢測了鋁缸套．鋁缸體組（zǔ）合體與鑄鐵缸套．鋁缸體組合體的傳熱性能，如（rú）圖3所示。整（zhěng）套裝置由熱源、上（shàng）下圓形隔熱鐵（tiě）塊、缸套．缸體、熱電偶一測（cè）溫儀組成（chéng）。

其中，圖3a所示為熱源，由陶瓷棒與（yǔ）纏繞其上的電阻絲組成，電阻絲（sī）與外部交（jiāo）流電源接（jiē）通，對缸套．缸體進行（háng）加熱，電阻絲功率為1．5 kW，陶瓷棒直徑略小於缸套內徑（jìng）。上下圓形鐵塊用於隔絕（jué）熱量散失，同時也對（duì）整套實驗（yàn）裝置起到固定支撐作用。沿缸體徑向方向，在其中部位置由外（wài）向內鑽有不同深（shēn）度的測溫盲孔，直徑為1．6 Ilq／lq，用於埋設端（duān）頭經打磨後的鎧裝NiCr-NiSi熱電偶(K型，多1．6 mnl，精度：±1℃)，測試缸體徑向方向上不同位（wèi）置的溫度，如圖3b所示。實驗時，熱（rè）源被套在缸孔內部，熱電（diàn）偶插在測溫孑L內並以高溫絕緣（yuán）密封（fēng）膠密封，熱電偶另一端聯接由重慶川儀十八廠生產的數字溫度顯示儀(型號：XMZ．H8—01一000A，精度：±1℃)，讀取同一時刻（kè）缸體不同位（wèi）置的溫（wēn）度。

2、結（jié）果與討論

2．1 鋁合金缸套（tào）加工

本實驗中，鋁合金缸套鑄（zhù）件中的微觀組織主要有灰色顆粒狀初晶Si相、黑（hēi）色顆粒狀初晶M92Si相、共晶si、共晶（jīng）MgESil)2及基體僅相。其中，在鑄件內層的初晶顆粒增強區域，初晶Si、M92Si顆粒的體積分數可達（dá）30％t舊。

對（duì）經過熱處理後的（de）鑄件進行一係列機械（xiè）加工（gōng），為鋁合金缸（gāng）套．鋁合金缸（gāng）體（tǐ）的壓鑄做準備。鑄件的機加工主（zhǔ）要包（bāo）括鑄件外（wài）表麵粗車、內表麵（miàn）粗車／半精（jīng）車、外（wài）表麵（miàn）螺旋槽車削、端部車削以及倒角等。根據前期研究成果【151，在經過了工藝優化（huà）後，鑄件的端部車削量控製在6 mm以內。本實驗中，首先應對鑄件（jiàn）的兩端進行車削，去除端部夾渣，保證（zhèng）剩餘部分鑄件的質量。在（zài）後續的壓鑄過程中，為了使（shǐ）零件的外表麵與缸體在高壓或低壓作（zuò）用下實現良好的冶金結合，缸套應（yīng）具有粗糙的外表麵，因此，在對（duì）鑄件外表麵進（jìn）行車削時，應保持較大的進刀量，並適當（dāng）降低機床的主軸轉速，盡可能（néng）使零件的外（wài）表麵形成大量的毛刺。並且，為了進一步增強鋁合金缸套．缸體（tǐ）的冶金結合能力（lì），本實驗在缸套零件的外表麵車削有一係列的螺旋槽（cáo），如圖4所（suǒ）示，設計槽深1～2 mm，槽距（jù）3～5 mm。

2．2 缸套一缸體壓鑄（zhù）成形

缸套壓鑄時，需（xū）要（yào）定位在壓鑄模（mó）具的芯棒上，既要保證壓鑄過程中缸套內孔不“跑水”，又要保證鑄件壓鑄成形後能（néng）夠（gòu）順利取出，因此，鑄件的內表麵在加工時具有一定的精度要求。不同缸套產品的壓鑄（zhù）內孔尺寸的精度（dù）要求不一樣。工廠中，鑄鐵缸套．缸體（tǐ）的壓鑄設備同樣適用於鋁合金缸套．缸體的壓鑄，隻是在工藝方麵（miàn）有（yǒu）所變化。缸（gāng）套在壓（yā）鑄前可進行簡（jiǎn）單（dān）預熱處理以保證在壓鑄時缸體缸套之間的冶（yě）金結（jié）合度。由於（yú）鋁合金的（de）熔點比鑄鐵低，其預熱溫度相對較低，一般以不超過300℃為宜。在預熱時，由於材質的不（bú）同，鋁合金缸套與鑄（zhù）鐵缸套的膨脹量顯然不同。A1．Si．Mg合金的線膨脹係數為20．48x106／"C(20～300℃)，而（ér）鑄鐵的線膨脹係數一般為(8．5～l 1．6)xlO-6／℃(20～300℃)，二者相差較大，鋁缸套受熱更易膨脹（zhàng）。因此（cǐ），在車削鋁合金缸套內（nèi）孔時，其尺寸偏差範圍一（yī）般（bān）取公差下偏差，使（shǐ）得鋁合金缸套的內孑（jié）L尺寸在總體上（shàng）相比於鑄鐵偏小。如圖5所示為鋁合金缸套壓鑄成形件，圖6所示為兩種缸套壓鑄成形件經機械加工後的成品，圖7是將鋁合金（jīn）缸套一缸體成形件沿缸套軸（zhóu）向方向由中間位置剖開後打磨、拋光後的形貌圖。由圖7中（zhōng）可以看到，經壓鑄（zhù）後，鋁合金（jīn）缸套與鋁合金缸體間（jiān）的（de）結合效果良（liáng）好，這為（wéi）全鋁合金缸套一缸體呈現優（yōu）越的傳熱性（xìng）能（néng）奠定了基礎。

2．3 缸套一缸體組合體的傳（chuán）熱性能

與鑄鐵缸套相比（bǐ），鋁合金缸套尤其在傳熱性能方麵具有明顯的優勢：鋁合金缸套（tào）材料的熱導率為A鋁=70w／(m·K)，鑄鐵（tiě）缸套的導熱係數為A鐵=55 W／(m·K)，壓鑄（zhù）鋁合金的熱導率為A=177 W／(m·K)t181，即：鋁缸套與壓（yā）鑄鋁（lǚ）合金缸體的熱導率基（jī）本相等，是（shì）鑄鐵缸套熱導率的3倍。較高（gāo）的熱導率有利於缸體的整體散熱，特別是風冷係列發動機，將極大地改善熱機的工況。關於模擬鑄鐵缸套一缸體工況並測算（suàn）缸體內壁溫度的研究已有不（bú）少，然而，對於鑲鑄有鋁合金缸套（tào）的全鋁發動機汽缸體（tǐ）在這方麵的報道尚未見到。為了獲得風冷發（fā）動（dòng）機鋁合金缸套的傳熱性能指標，在（zài）實驗室進行了風冷發動（dòng）機的工況（kuàng）模擬實驗，並與鑄鐵缸套進行（háng）了對比。按1．4節所（suǒ）述方法，分別對鋁合金缸（gāng）套．鋁合金缸體，鑄鐵缸套．鋁合金缸體組合體進行了（le）發動機工況模擬、並分別測量缸體不同位置的溫度，從而對比兩種缸套的傳（chuán）熱性能。實驗時（shí），通過（guò）套在缸體缸孔內部（bù）的（de）電阻絲加熱來模擬發動機工作產生的熱量，通過缸體正前方的電風扇轉動來模擬空氣對流對缸體的散（sàn）熱作用。鑄鐵缸套一缸體發動機在正常工作一段時（shí）間後（hòu），其外表（biǎo）麵溫度將達到相對平衡狀態。此時，缸體外表麵上部(缸體（tǐ）大端麵)溫度達180--一200℃，缸體外表麵下部(缸體小端麵)溫度達140 150℃(企（qǐ）業數據)。根據這一平衡溫度（dù）區間，本實驗製定了模擬發動機燃燒室工（gōng）況的熱源加熱工藝，即1．5 kW電阻（zǔ）絲每加熱14 s，斷開電源5 S，依次反複進行，使埋設於（yú）鑄鐵缸套發動（dòng）機缸（gāng）體外（wài）表（biǎo）麵的熱電偶A的溫度處於平衡溫度區間內，兩種缸套發（fā）動機均采用相同（tóng）的加熱頻率進行測試。經測量，在缸套．缸體（tǐ）中部，組合體的最大壁厚約12 nllYl。依此，熱電（diàn）偶偶（ǒu）頭埋設在距離缸體外表麵不同（tóng）的深度，如圖8所示，埋設點A、B、C、D、E分別距缸體外表麵的距離為2．0 rain、3．5 mm、5．0 rtlln、6．5 mrfl、8．0 nllTl。測試時，在不（bú）同時刻，同（tóng）時記下所有點的溫（wēn）度讀數。

在同樣的加熱（rè）條件（jiàn）下分別測試兩種缸套一（yī）缸體上不同位置的溫度，記（jì）錄並繪製如（rú）圖9所示的溫度一時間曲線圖。可以看到，隨著加熱時間的延長，兩（liǎng）缸套一缸體不同（tóng）位置的溫度均呈現逐漸上升的趨（qū）勢。並且，經過長達1 415 s的（de）吸熱、傳熱的（de）循環（huán）過（guò）程（chéng）後，缸套．缸體的（de）溫度處（chù）於一種相對平衡狀態。從圖9a可以看到，處於平衡狀態的鑄鐵缸套一缸體的E點(最深測溫位置)的最後溫度達223℃，而同樣位置的鋁合金缸套．缸體（tǐ）的最後溫度為（wéi）206℃，如圖9b所示，其溫差達到17℃。而在距離（lí）缸體外表麵最近的測試點（diǎn）A點，其溫差更是達到了20℃。顯然，在同等工況下，鋁合金缸套．缸體具有更低的溫度，其傳熱性能更佳。

圖10所示是兩缸（gāng）套．缸體溫度達到平衡態後，不同（tóng）為：測（cè）試點的（de）溫度值。可以看（kàn）到（dào），無論是鑄鐵缸套一缸體，還是鋁合金缸套二缸體，其不同位置的溫度值近似呈現線性變化規律。

分（fèn）別對兩缸套一缸（gāng）體溫度變化曲線進行擬合，則得鑄鐵缸套．缸體不同位置的溫度變化曲線方（fāng）程（chéng）為：Y=4．866 7戈+1 83．47 (1)鋁合金缸（gāng）套一缸體不同位置的（de）溫度變化曲線方程Y=5．4x+1 66 (2)根據這一（yī）擬合曲線方程，可以近似預測發動機在正常工作後，缸套．缸體溫度達（dá）平衡態後（hòu），缸套內壁的平均溫度。據式(1)，則得鑄鐵缸套內表（biǎo）麵的平（píng）衡溫

度為（wéi）242℃；據式(2)，則得鋁合金缸套內表麵的平衡溫度（dù）為231℃。可（kě）見（jiàn），鋁合金缸套的內表麵溫度更低，這有益於減輕汽缸內部（bù）的燃燒積炭現象。並且，這也是首次（cì）在實驗的基礎上，預測獲得的全鋁合（hé）金發動機工作時汽缸的內表麵（miàn）溫度，對於（yú）進一步研究全鋁

發動機的（de）工況具有（yǒu）參考（kǎo）價（jià）值。

3、結論

(1)通過離心鑄造法成功（gōng）製備了自生初晶Si／M92Si顆粒增強A1．Si．Mg複合材料汽缸套，並經高壓壓鑄機與鋁合金缸體進行了壓鑄成形，得到全鋁風冷發動機缸體。且鋁合金缸套與（yǔ）鋁（lǚ）合金缸體間的結合效果良（liáng）好，為全鋁合金缸套（tào）．缸體呈現優越的（de）傳熱性（xìng）能奠定了基礎（chǔ）。

(2)應用熱（rè）電偶埋（mái）設法，在自（zì）製的五點測溫（wēn）傳熱實驗（yàn）裝置上分別檢測並（bìng）對比分析了風（fēng）冷鋁合金缸套一鋁合金缸體（tǐ）與鑄鐵缸套．鋁合金缸體的（de）傳熱性能。研（yán）究表明：相比（bǐ）鑄（zhù）鐵缸套．缸體，鋁合金缸套．缸體具有更佳的傳熱性能

(3)通過（guò）實驗測溫一數據曲線擬合法獲得了全鋁合金發動（dòng）機工作時汽缸的內表麵溫度（dù）為231℃，比鑄鐵缸套內表麵溫度低11℃。對於進（jìn）一步研究全鋁發動機的工況（kuàng）具有參考價值。

投（tóu）稿箱：
如果您有機床行業、企業（yè）相關新聞稿件發表，或進行（háng）資訊合作，歡（huān）迎聯係本網編輯部，郵箱（xiāng）：skjcsc@vip.sina.com

更多相關信息

名企（qǐ）推薦

業（yè）界視點

| 更（gèng）多

行業（yè）數據

| 更多

博文選萃

| 更多

數控機床