489 活塞加工及金屬模設計

489 活塞加工及金屬模設計,活塞,加工,金屬,設計 湘潭大學興湘學院畢業(yè)論文（設計）任務書論文（設計）題目： 活塞加工及金屬模設計 學號：2007964236 姓名：易維 專業(yè)： 機械設計制造及其自動化 指導教師： 周里群（教授） 系主任： 一、主要內(nèi)容及基本要求 1.檢索國內(nèi)外活塞的發(fā)展動態(tài)和現(xiàn)狀； 2.分析活塞的工作環(huán)境； 3.分析活塞的工作條件； 4.分析活塞的工作原理； 5.完成活塞的設計； 6.分析活塞金屬型的材料； 7.完成活塞金屬型的設計方案的選?。?8.完成活塞金屬型的設計； 9.完成畢業(yè)論文的文稿工作，要求：使用 A4 編輯及打印裝訂成冊； 10.技術(shù)圖紙：活塞圖紙一張（A1） ，金屬型零件圖紙 5 張（A4 兩張，A2 兩張，A1 一張） ，金屬型裝配圖紙一張（A0） ； 11.翻譯英文技術(shù)資料：翻譯國內(nèi)外活塞相關(guān)課題的英文資料。要求：原稿及其翻譯打印裝訂同冊。 二、重點研究的問題1.活塞的設計； 2.活塞金屬型的設計。 三、進度安排序號 各階段完成的內(nèi)容 完成時間1 查閱資料、調(diào)研 第 1,2 周2 活塞的設計 第 3-5 周3 金屬模具的設計 第 6-8 周4 畫零件圖和裝配圖 第 9-12 周5 寫出說明書 第 13-15 周6 答辯 2010 年 6 月四、應收集的資料及主要參考文獻1宮克強特種鑄造北京:機械工業(yè)出版社，1982 2耿鑫明鋁合金金屬型鑄造北京:國防工業(yè)出版社，1976 3王瑞芳金工實習北京:機械工業(yè)出版社，2001 4丁陽喜機械制造及其自動化生產(chǎn)實習教程北京;中國鐵道出版社，2002 5胡傳忻.熱加工手冊.北京:北京工業(yè)大學出版社，2002 6北京機械工程學會鑄造專業(yè)學會編.鑄造技術(shù)數(shù)據(jù)手冊.北京:機械工業(yè)出版社，1993 7曹巖，李建華.solidworks2004 產(chǎn)品設計實例精解.北京:機械工業(yè)出版社，2004. 8哈爾濱工業(yè)大學.鑄造工藝學.北京:機械工業(yè)出版社，1985 9鑄造專業(yè)學會.鑄造技術(shù)數(shù)據(jù)手冊.北京:機械工業(yè)出版社，1993 10賈策，李漢明.solidworks2001 實踐與提高.重慶:重慶大學出版社，2001 11吳宗澤，羅圣國.機械設計課程設計手冊.北京:高等教育出版社，2003 湘潭大學興湘學院畢業(yè)論文（設計）評閱表學號 2007964236 姓名 易維 專業(yè) 機械設計制造及其自動化 畢業(yè)論文（設計）題目： 活塞加工及金屬模設計 評價項目 評 價 內(nèi) 容選題1.是否符合培養(yǎng)目標，體現(xiàn)學科、專業(yè)特點和教學計劃的基本要求，達到綜合訓練的目的；2.難度、份量是否適當；3.是否與生產(chǎn)、科研、社會等實際相結(jié)合。能力1.是否有查閱文獻、綜合歸納資料的能力；2.是否有綜合運用知識的能力；3.是否具備研究方案的設計能力、研究方法和手段的運用能力；4.是否具備一定的外文與計算機應用能力；5.工科是否有經(jīng)濟分析能力。論文（設計）質(zhì)量1.立論是否正確，論述是否充分，結(jié)構(gòu)是否嚴謹合理；實驗是否正確，設計、計算、分析處理是否科學；技術(shù)用語是否準確，符號是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范；2.文字是否通順，有無觀點提煉，綜合概括能力如何；3.有無理論價值或?qū)嶋H應用價值，有無創(chuàng)新之處。綜合評價該生選題基本符合培養(yǎng)目標，難度分量適當，與生產(chǎn)實際相結(jié)合。綜合運用知識能力一般，具備初步設計方案的能力和手段運用，具備一定的外文與計算機應用能力，經(jīng)濟分析能力有待提高。立論正確，論述合理，結(jié)構(gòu)基本符合要求，文字通順，綜合概括能力較差。綜合來說本次畢業(yè)設計基本符合要求評閱人： 2010 年 5 月 日 湘潭大學興湘學院畢業(yè)論文（設計）鑒定意見學號： 2007964236 姓名： 易維 專業(yè)： 機械設計制造及其自動化 畢業(yè)論文（設計說明書） 43 頁 圖 表 10 張論文（設計）題目： 活塞加工及金屬模設計 內(nèi)容提要：本說明書通過分析活塞的工作環(huán)境，工作條件和工作原理結(jié)合國內(nèi)外活塞的發(fā)展及其現(xiàn)狀，還結(jié)合材料的性能，最終決定活塞采用鋁合金制造。活塞裙部設計成橢圓形，橢圓長軸方向與銷座垂直，短軸方向沿銷座方向，這樣能使活塞工作時裙部趁近正圓，不會造成活塞在氣缸內(nèi)卡住。為了防止活塞打到氣門，活塞采用凹頂。通過分析，活塞的制造采用用金屬型鑄造，金屬型模具材料使用灰鑄鐵。金屬型鑄造有許多優(yōu)點，能反復使用多次，有永久型鑄造之稱，并且拆裝方便快捷。型芯采用組合式，方便活塞鑄造毛坯從模具中取出和型芯從毛坯中取出。指導教師評語指導教師： 年 月 日答辯簡要情況及評語答辯小組組長： 年 月 日答辯委員會意見答辯委員會主任： 年 月 日第 1 頁 共 43 頁摘要汽車發(fā)動機的活塞是發(fā)動機中的主要配件之一，它與活塞環(huán)、活塞銷等零件組成活塞組，與氣缸蓋等共同組成燃燒室，承受燃氣作用力并通過活塞銷和連桿把動力傳給曲軸，以完成內(nèi)燃發(fā)動機的工作過程。油氣燃燒所產(chǎn)生的熱由活塞的頂部所吸收，并傳至氣缸壁，而燃燒后氣體膨脹所產(chǎn)生的力量也必須經(jīng)由活塞來吸收，活塞會把燃燒氣體壓力及慣性力經(jīng)由連桿傳到曲軸上，利用連桿的作用將活塞的線性往復運動轉(zhuǎn)換曲軸的旋轉(zhuǎn)運動?；钊墓τ檬浅惺軞怏w壓力，井通過活塞銷傳給連桿驅(qū)使曲軸旋轉(zhuǎn)，活塞項部還是燃燒室的組成部分。活塞在高溫、高壓、高速、潤滑不良的條件下 1二作。活塞在氣缸內(nèi)以很高的速度往復運動，且速度在不斷地變化，這就產(chǎn)生了很大的慣性力，使活塞受到很大的附加載荷。活塞在這種惡劣的條件卜工作，會產(chǎn)生變形并加速磨損，還會產(chǎn)生附加載荷和熱應力，同時受到燃氣的化學腐蝕作用?，F(xiàn)代的活塞設計主要有鑄造和鍛造兩種，而鑄造又比鍛造簡單便宜，但卻不及鍛造活塞能承受較大的熱度和壓力。由于活塞與活塞環(huán)都必須在高溫、高壓、高速及臨界潤滑的狀態(tài)卜工作，因此長期以來，發(fā)動機設計者都為提供一個最佳的設計而不斷努力，進而可以從活塞方而來提高引擎的性能。本文以捷達 EA113 汽油機的相關(guān)參數(shù)作為參考，對四缸汽油機的曲柄連桿機構(gòu)的主要零部件進行了結(jié)構(gòu)設計計算，并對曲柄連桿機構(gòu)進行了有關(guān)運動學和動力學的理論分析與計算機仿真分析。首先，以運動學和動力學的理論知識為依據(jù)，對曲柄連桿機構(gòu)的運動規(guī)律以及在運動中的受力等問題進行詳盡的分析，并得到了精確的分析結(jié)果。其次分別對活塞組、連桿組以及曲軸進行詳細的結(jié)構(gòu)設計，并進行了結(jié)構(gòu)強度和剛度的校核。一再次，應用三維 CAD 軟件:Pro/Engineer 建立了曲柄連桿機構(gòu)各零部件的幾何模型，在此工作的基礎上，利用 Pro/E 軟件的裝配功能，將曲柄連桿機構(gòu)的各組成零件裝配成活塞組件、連桿組件和曲軸組件，然后利用 Pro/E軟件的機構(gòu)分析模塊(Pro/Mechanism)，建立曲柄連桿機構(gòu)的多剛體動力學模型，進行運動學分析和動力學分析模擬，研究了在不考慮外力作用并使曲軸保持勻速轉(zhuǎn)動的情況下，活塞和連桿的運動規(guī)律以及曲柄連桿機構(gòu)的運動包絡。仿真結(jié)果的分析表明，仿真結(jié)果與發(fā)動機的實際工作狀況基木一致，文章介紹的仿真方法為活塞組的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化設計提供了一種新思路。關(guān)鍵詞: 活塞 氣缸蓋 燃燒室 曲軸 慣性力 附加載荷第 2 頁 共 43 頁ABSTRACTThe piston of car motor is one of the main accessorieses in the motor ,it and the piston wreath ,piston sell etc .the spare parts constitute a piston set and cover with air cylinder etc. Constitute combustion room together , bear gas function the dint also sell through a piston and connect the pole motive song stalk to complete inside the work process of ran motor.the oil annoys the combustion produce of hot from the coping of piston absorb , and spread to air cylinder wall , and combustion empress thestrengh produced by air inflation have to also absorb through the piston , the piston will chase combustion air pressure and inertial dint through connect the spread to song stalk up , make use of connect the function of pole exercise the line back and forth of piston to convert revolving of song stalk sport.The effect of piston bears air pressure , and sell to pass to connect a pole to order about song stalk to revolve through a piston , constituting of the piston a coping still a combustion room part .piston under the condition that heat ,high pressure , high speed , lubricate bad work . The piston is exercised with very high speed back and forth in the air cylinder , and speed at constantly variety , this produced very greatly inertial inertial dint and made the piston been subjected to very big of the affixture carry a lotus . The piston is under this bad condition work , will produce to transform and accelerate to wear away , also produce affixture to carry lotus and heat in response to the dint , be subjected to chemistry of the gas corrosion function in the meantime . Modern of the piston design to mainly have the foundry forging 2 kinds , but cast again than forging simple cheapness , but cannot compare with forging piston can bear bigger heat and pressure . Piston and piston wreaths have to work under the appearance of the heat , high pressure and high speed and the critical lubrication , therefore for long time , the motor designs all continuously make great effort for providing a design , then can raise the function of from the piston .第 3 頁 共 43 頁第一章 活塞的運行原理和工作條件2.1 活塞的運行原理汽車發(fā)動機的活塞是發(fā)動機的重要配件之一，它與活塞環(huán)，活塞銷等零件組成活塞組，與汽缸蓋等共同組成燃燒室，承受燃氣作用力并通過活塞銷和連桿把動力傳給曲軸，以完成內(nèi)燃發(fā)動機的工作過程。油氣燃燒所產(chǎn)生的熱由活塞的頂部所吸收，活塞會把燃燒氣體壓力及慣性力經(jīng)由連桿傳到曲軸上，利用連桿的作用將活塞的線性往復運動轉(zhuǎn)換成曲軸的旋轉(zhuǎn)運動。活塞的功用是承受氣體壓力，并通過活塞銷傳給連桿驅(qū)使曲軸旋轉(zhuǎn)，活塞頂部還是燃燒室的組成部分。2.2 活塞的機械負荷在發(fā)動機的工作中，活塞承受的機械載荷包括周期變化的氣體壓力、往復慣性力以及由此產(chǎn)生的側(cè)向作用力。在機械在和的作用下，活塞各部位承受各種不同的壓力：活塞頂部動態(tài)彎曲應力；活塞銷座承受拉壓及彎曲應力；環(huán)岸承受彎曲及剪應力。此外，在環(huán)槽部及裙部還有較大的磨損。為適應機械負荷，設計活塞時要求各處有適合的壁厚和合理的形狀，即在保證足夠的強度、剛度的前提下，結(jié)構(gòu)要盡量簡單、輕巧，截面變化處的過度要圓滑，以減少應力集中。2.3 活塞的熱負荷活塞在氣缸內(nèi)工作時，活塞頂面承受瞬間高溫燃氣的作用，燃氣的最高溫度可達 20002500。因而活塞頂?shù)臏囟纫埠芨??；钊粌H溫度高，而且溫度分布不均勻，各點間有很大的溫度梯度，這就成為熱應力的根源，正式這些熱應力對活塞頂部表面發(fā)生的開裂起了重要作用。2.4 磨損強烈發(fā)動機在工作中所產(chǎn)生的側(cè)向作用力是較大的，同時，活塞在汽缸中的告訴往復運動，活塞組與汽缸表面之間會產(chǎn)生強烈磨損，由于此處潤滑條件較差，磨損情況比較嚴重。第 4 頁 共 43 頁第二章 汽油機結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取1.1 汽缸直徑的確定根據(jù)設計任務書所提供的設計條件:所一要設計的宇氣油發(fā)動機的排量為 2.0L.平均有效壓力： p=0.81.2Mpa活寨平均速度： Cmq，因此金屬型的工作溫度必然升高，所以，每澆一次，就需要將金屬型打開，停放一段時一間，待冷至規(guī)定溫度時再澆。如靠自然冷卻，需要時間較長，會降低生產(chǎn)率，因此常采用強制冷卻的方法。冷卻的方式一般有以下幾種。(1)風冷在金屬型外圍吹風冷卻，強化對流散熱，其冷卻效果與金屬型外邊的散熱而積有關(guān)。散熱而積大，冷卻效果好，故可在金屬型背而鑄出散熱片或散熱針。與沒有散熱片和散熱針的金屬型比較，冷卻效果提高 20%30%。如果采用密封風冷，即通壓縮空氣強制對流，其效果就更好。風冷方式的金屬型，雖然結(jié)構(gòu)簡單，容易制造，成本低，但冷卻效果不十分理想。(2)間接水冷在金屬型背而或某一局部，鑲鑄水套，其冷卻效果比風冷好，適用于澆注銅件或可鍛鑄鐵件。但對澆注薄壁灰鐵鑄件或球鐵鑄件，激烈冷卻會增加鑄件的白口缺陷。為防止金屬型在背面強烈冷卻時所產(chǎn)生的應力或裂紋，一般在水套與型壁之間鑲鑄異熱性好的材料。(3)直接水冷在金屬型的背而或局部直接制出水套，在水套內(nèi)進行冷卻，這主要用于澆注鋼件或其他合金鑄件，鑄型要求強烈冷卻的部位。由于向型壁直接噴水，很快將熱量帶走，冷卻效果很好。由于直接冷卻，金屬型產(chǎn)生的熱應力大，故不宜用易裂材料(鑄鐵)制作，一般用碳鋼或合金鋼制造金屬型，因此成本高，只適用于大批量生產(chǎn)。6.4 金屬型芯的設計設計為組合型芯第 27 頁 共 43 頁由兩側(cè)的單型芯和中間芯組成，方便從毛柸中取出型芯。中間芯寬 18，單型芯底部寬 15.第 28 頁 共 43 頁總結(jié)通過為期十四周的畢業(yè)設計，使我收獲了很多東西。不但學到了很多有用的知識，還學到很多從書本上無法學習到的東西，像編程經(jīng)驗、調(diào)錯能力、理論與實際相結(jié)合、獨立動手能力等等，既開闊了視野，增長了知識，又鍛煉了自己，同時也認識到了自己的不足。通過一段時間的努力終一于克服了困難，拿出了自己的作品。發(fā)現(xiàn)知識的增長果然是個艱苦的過程。指導老師周里群老師給予了我悉心的指導，在整個畢業(yè)設計的過程中，周老師從方方而而都給予幫助和支持。從畢業(yè)設計任務的提出到最終論文的審閱批改，在每一細節(jié)上，周老師都細心的指異，設計中遇到的許多問題，也是在周老師的幫助下得以解決，使我的畢業(yè)設計能夠順利完成。在此表示衷心的感謝。周老師嚴謹細致、一絲不茍的作風一直是我工作、學習中的榜樣;他們循循善誘的教異和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪。同時也非常感謝的幾位同學，他們同樣給予了我很大的幫助。第 29 頁 共 43 頁參考文獻1.宮克強特種鑄造北京:機械工業(yè)出版社，19822.耿鑫明鋁合金金屬型鑄造北京:國防工業(yè)出版社，19763.王瑞芳金工實習北京:機械工業(yè)出版社，20014.丁陽喜機械制造及其自動化生產(chǎn)實習教程北京;中國鐵道出版社，20025.胡傳忻.熱加工手冊.北京:北京工業(yè)大學出版社，20026.北京機械工程學會鑄造專業(yè)學會編.鑄造技術(shù)數(shù)據(jù)手冊.北京:機械工業(yè)出版社，19937.曹巖，李建華.solidworks2004 產(chǎn)品設計實例精解.北京:機械工業(yè)出版社，2004.8.哈爾濱工業(yè)大學.鑄造工藝學.北京:機械工業(yè)出版社，19859.鑄造專業(yè)學會.鑄造技術(shù)數(shù)據(jù)手冊.北京:機械工業(yè)出版社，199310.賈策，李漢明.solidworks2001 實踐與提高.重慶:重慶大學出版社，200111.吳宗澤，羅圣國.機械設計課程設計手冊.北京:高等教育出版社，2003第 30 頁 共 43 頁附錄：英文技術(shù)資料及其翻譯 1.中文翻譯汽車發(fā)動機活塞材質(zhì)的選取及發(fā)展趨勢活塞被稱為發(fā)動機的心臟。它是發(fā)動機中最重要的零件之一。其功用是承受氣體壓力，并通過活塞銷傳給連桿驅(qū)使曲軸旋轉(zhuǎn)。在發(fā)動機工作時，活塞直接與瞬時溫度 2200 攝氏度的高溫氣體接觸，其頂部溫度達 3008，且溫度分布不均勻;在做功行程時活寨頂部承受著很大的氣體壓力，汽油機達 4MPa 一5MPa，柴油機高達 8MPa 一 9MPa ，甚至更高;此外，活塞在氣缸內(nèi)往復運動線速度可達，l1m/s 一 16m/s;在這種惡劣的條件下工作?；钊惺苤邷亍⒏邏旱臒嶝摵珊蜋C械負荷。因此活塞作為汽車發(fā)動機中傳遞能量的一個非常重要的構(gòu)件，對其材料具有特殊的要求:密度小、質(zhì)量輕、熱傳導性好、熱膨脹系數(shù)小;并具有足夠的高溫強度、耐磨和耐蝕性能、尺寸穩(wěn)定性好。另外還應具有容易制造、成本低廉的特點。伴隨著汽車發(fā)動機的不斷發(fā)展與進步，人們對活塞材料的研究與應用也取得了長足的發(fā)展。鋁合金活塞材料的發(fā)展應用概況世界上最旱的汽車發(fā)動機活塞是鑄鐵的。1911 年，鋁合金材料以其質(zhì)輕、良好熱傳導性以及較低的熱膨脹系數(shù)等特點的得到人們的關(guān)注并開始用于制造活塞。1920 年一種 Al-Cu-NI-Mg 系合金正式成功地應用于汽車發(fā)動機活寨，從而證明了鑄造鋁合金作者簡介:1、Al-Cu-NI-Mg 系合金該系合金于 1920 年開始就在英國得到應用。其典型合金代號有 LMI4(英)、SAE39美)、AC5A(日)。該類合金的優(yōu)點是良好的高溫強度、導熱性、延伸率及耐磨性;但囚其線膨脹系數(shù)和密度較大，鑄造性能差且含有較多貴重金屬價格較貴而被淘汰。2、Al-Cu-Si 系合金這類合金的優(yōu)點是:由于含有一定量的硅，鑄造性能較好，切削加工性能一也有所改善;在常溫和高溫下均有較好的機械、物理性能。在 70 年代之前，該類合金曾是前蘇聯(lián)等國應用最廣泛的一種材料，我國的解放牌CAIOA,CAIOB,CAIOC 型汽車活塞一也采用此合金。其典型合金代號有 SAE300(美)、A110B(俄)、AC2A(日)。該類合金的缺點是:線膨脹系數(shù)較大，因含有較多的Cu，所以體積穩(wěn)定性不好，會產(chǎn)生永久性“長大”現(xiàn)象引起活塞“咬缸” ，所以國內(nèi)現(xiàn)已停止使用這類材料。3、AI-Si 合金第 31 頁 共 43 頁由于 AI-Si 合金線脹系數(shù)小、比熏小，耐磨性好，鑄造性能好等一系列優(yōu)點而成為應用于現(xiàn)代發(fā)動機活塞制造最廣泛的材料。這類合金按含 Si 量的高低可分為共(業(yè))晶型和過共晶型兩大類。4、共晶(亞共晶)型 AI-Si 合金國內(nèi)外輕、巾型汽車汽、柴油發(fā)動機以及轎車發(fā)動機活塞大多采用了共晶(亞共晶)型 AI-Si 合金。具有代表性的共晶(亞共晶)型 AI-Si 合金活塞材料的牌號及化學成分見表 1。該類合金含 I 量一般在 8.5%一 13%，為了提高合金的室溫及高溫性能在其中加入了 Cu Mg Mn Ni 等合金元素進行多元合金化。表2 所列為共晶(亞共晶)型 Al 一 Si 合金活塞材料常溫和高溫性能。合金中的 Cu 可提高合金的常溫及高溫強度，改善合金切削加工性能及表面光潔度;但 Cu 量過多會使合金密度增大，熱裂傾向增大，耐蝕性降低，鑄造性能變壞，同時還使合金成本增加。囚而作為活塞用的 AI-Si 合金應在保證其強度的前提下盡川一能降低含銅量。Mg 也是 AI-Si 合金中提高合金強度的重要元素，特別是與 CU 配合使用時可進一步提高合金耐熱性。但 Mg 加入量過多時易在晶界上形成脆性相，反而降低了合金強度。另外 Mg 還可能造成鑄件夾渣，所以 Mg 的加入量一般控制在0.4%一 1.5%。國內(nèi)廠家多控制在 0.7%一 1.0%之間。Mn 可以提高合金的熱穩(wěn)定性、高溫持久強度和使度，同時還閨一以減少雜質(zhì)元素對鐵的危害。但加入過多的 Mn 會形成粗大脆性化合物，反而降低合金強度。Mn 的加入量多控制在 1%以下。國外資料認為。Ni 可以提高合金的高溫強度及合金熱穩(wěn)定性。如含有 Ni的 ZLI09 比不合 Ni 的 ZLI08 體積穩(wěn)定性好。這對活塞這種零件來說是非常有意義的。但近年來的一些試驗研究又表明:加 Ni 對合金的高溫性能并無顯著提高國內(nèi)外汽車發(fā)動機活塞材料的發(fā)展及應用由于鋁硅合金中 Si 含量超過 6%一 8%時，組織中便會出現(xiàn)粗針狀共晶硅組織，使合金的機械性能降低。因此，共晶(亞共晶)型 AI-Si 合金需進行變質(zhì)處理。共晶硅常用的變質(zhì)元素有 Na Sr P Sb RE 等，其中國內(nèi)應用較多的是Na 鹽變質(zhì)，效果良好。但 Na 款變質(zhì)有效時間較短。同時還會腐蝕增竭給生產(chǎn)帶來不便。Sr 有較強的變質(zhì)作用和足夠長的變質(zhì)有效期，但 r 較貴且變質(zhì)時會增加合金吸氣，故目前還不能取代 Na。目前，對于共晶型 I-i 合金來說(如ZLID9更多地采用了磷變質(zhì)劑以代替 Na 變質(zhì)，且磷變質(zhì)效果優(yōu)于 Na 鹽變質(zhì)而被國內(nèi)眾多活塞制造廠推廣使用?，F(xiàn)在在汽車發(fā)動機上應用最廣泛的 AI-Si.活塞材料為 ZLIQ9（GMahlel24,AC8A),國外著名發(fā)動機制造廠(如 Cummins Renault 等)和國內(nèi)玉柴、錫柴等發(fā)動機制造第 32 頁 共 43 頁廠均采用該材料制造的活塞。共晶型 AI-Si 合金隨著發(fā)動機對功率、扭矩、噪聲、排放的要求越來越高，共晶(亞共晶)型AI-Si 合金已難以達到使用性能要求。因此，人們把目光投向另一種更為理想的活塞材料過共晶型 AI-Si 合金。這類合金含 Si 量高達 17%一 26%，而隨著Si 含量的增加，合金的線脹系數(shù)減小，耐磨性和體積穩(wěn)定性相應提高，且合金密度也隨之減小，用其制造發(fā)動機活塞，可在設計上縮小氣缸筒內(nèi)壁與活塞之問的問隙，從而提高發(fā)動機效率.因此受到世界各國研究者的重視3國外對過共晶型 AI-Si 合金的研究應用較早，使用范圍已從摩托車活塞擴大到載貨汽車的活塞上。國內(nèi)近些年也對該類活塞材料進行了大量的研究，但實際應用的還較少。國內(nèi)外具有代表性的過共晶 AI-Si 合金牌號及化學成分見表 3。表 4 為過共晶型 AI-Si 合金活寨材料常溫和高溫性能對比。過共晶型活塞合金按 Si 的含量分為三組:組一為 17%一 19%，組二為 20%一 23%，組三為 24%一 26%。一二組工藝性較好，在實際生產(chǎn)中應用較多;第三組由于 si 含量高，結(jié)晶范圍大，鑄造工藝性能很差，初晶 Si 的變質(zhì)困難。為保證合金滿足活塞性能要求。也在其中加入 Cu、Mg、Mn Ni Ti RE 等等.所起作用與共晶型合金中基本相同。新型鋁合金活塞材料的研究及應用美國航空航天局(NASA)馬歇爾空間飛行中心(MSFC)兩位美籍華人科學家發(fā)明了一種名為 MS-FC-388 高強度鋁合金，用于制造 EvinrudeE 一下 TECTM 外置發(fā)動機活塞，取得了十分令人滿意效果與經(jīng)濟效益。其特點是:發(fā)動機的噪聲大幅度下降，排放的污染顯著減少，燃料效率大為提高，使用壽命顯著延長，比普通的常規(guī)活塞鋁合金的強度高 1.5 倍，生產(chǎn)材料成本比常規(guī)合金的低 2.21美元/Kg，在 260370仍有令人驚奇的強度。該新型鋁合金不但滿足汽車工業(yè)低排放污染物的要求，而且能滿足航天器在高溫下有很強的耐腐蝕性的要求。此外，國外許多發(fā)動機制造商采用鍛造鋁合金 2618(LD7)用于制造各種高級轎車及賽車發(fā)動機活塞。圖 4 所示為應用于 Ford 發(fā)動機上的鍛造活塞，圖 5 為Chrysler 汽車發(fā)動機鍛鋁活塞。國內(nèi)外汽車發(fā)動機活塞材料的發(fā)展及應用鋁基復合材料的研究及應用在滿足內(nèi)燃機輕量小型化、可靠性和耐久性的情況下，發(fā)動機向著高速、大功率、大壓縮比的方向發(fā)展，其燃燒室內(nèi)溫度和壓力變得更高，以往使用的鋁合金已達到或接近使用極限。為此，鋁基復合材料活塞的開發(fā)近年來受到了高度重視4美、日及歐洲工業(yè)發(fā)達國家在這方面已取得了重要進展，并在車用柴油機上迅速得到了推廣。第 33 頁 共 43 頁1)碳化硅顆粒增強鑄鋁活塞粒度為 5um-10um，含量為 5%一 7%的 SIC 陶瓷顆粒，經(jīng)過特殊處理后用流變鑄造法加入到 ZL I中然后擠壓鑄造成型， 可用于活塞的整體或局部增強。該材料的熱導率及熱膨脹系數(shù)各為 0. 32w/(m 和 18x10-6/C)。國內(nèi)研制的碳化硅顆粒局部增強鋁合金活。塞經(jīng)上海 50 型拖拉機田間試驗證明，第一道環(huán)槽導熱得到了較大改善，燃燒喉口得到加強，耐磨性比鑲奧氏體鑄鐵圈的活塞要好，活塞質(zhì)量也得到了加強。2)氧化鋁、硅酸鋁和硼酸鋁短纖增強鋁合金活塞(CFR)該材料采用陶瓷纖維氧化鋁或硅酸鋁、硼酸鋁短纖維增強基體材料(一般為共晶性或亞共晶性 Al 一 Si 合金)的活塞(CFR 活塞)，與基體鋁合金相比，在300時的抗拉強度極限提高 20%以上，熱膨脹系數(shù)降低 15%，導熱率降低25%，而密度基本不變，耐磨性能優(yōu)異，熱穩(wěn)定性好、具有更好的高溫綜合性能6。采用擠壓鑄造工藝生產(chǎn)的局部增強復合材料活塞，界面結(jié)合牢固可靠，成品率高，工藝寬容好，特別適合于經(jīng)增壓、強化的工作條件苛刻的柴油發(fā)動機。目前，硼酸鋁單晶纖維團?；黧w，強化活塞第一道環(huán)槽和頂部的二沖程汽油機用鋁基復合材料活塞，已經(jīng)在舷外機和摩托雪橇上得到了應用。國外日本豐田 ART 公司以年產(chǎn) C FR 活塞達百萬只 ll:國內(nèi)東南大學材料學院與躍進集團及南京金陵汽車配件廠合作的 NJ433 發(fā)動機采用增強基體材料的活塞，通過了 1000 小時臺架試驗;與玉柴機器公司、德國馬勒(南京)公司合作的 YC6112發(fā)動機活塞頂部燃燒室周邊增強，現(xiàn)已通過一系列試驗及技術(shù)鑒定并達到批量化生產(chǎn)，迄今已經(jīng)生產(chǎn)復合材料活塞毛坯 20 萬件。形成年產(chǎn)數(shù)千萬元的復合材料活塞產(chǎn)業(yè)，使陶瓷纖維增強鋁基復合材料在我國的汽車發(fā)動機行業(yè)進入了工業(yè)應用階段。3)國內(nèi)外其它活塞材料的研究應用隨著大馬力汽車發(fā)動機快速發(fā)展，尤其是重型柴油發(fā)動機渦輪增壓、中冷技術(shù)的應用以及大缸徑高壓縮比、低排放要求的不斷提高。傳統(tǒng)鋁合金活塞材料已無法滿足其使用要求，因而國內(nèi)外眾多活塞材料研究機構(gòu)和制造商推出了許多新型活塞材料。鋼頂鋁裙材料與鑄鋁和比，鑄鋼的機械強度高、耐磨性能好，但加工麻煩，密度大，成本高，對缸套的磨損嚴重。因此很少全部用鑄鋼做活塞，而是在一些強化程度高的柴油機上用鑄造合金鋼(如 40CrMn, 4CrlDSi2Mo)做活塞頭部，用鑄鋁做活第 34 頁 共 43 頁塞裙部，從而構(gòu)成了所謂的鋼頂鋁裙的組合式活寨。該結(jié)構(gòu)的活塞已經(jīng)在超長沖程的 L-G/GBE 系列的低迷發(fā)動機上得到了應用。法國 Renault 公司制造的重型商用車用 420 馬力 dill 發(fā)動機也采用了這種結(jié)構(gòu)的活塞。圖 6 所示為德國Mahel 活塞有限公司制造的重型商用車用鋼頂鋁裙的組合式活塞。陶瓷材料陶瓷是各種氧化物、氮化物、碳化物等無機非金屬材料的通稱。全陶瓷活塞目前還無成功的應用實例，但織合式陶瓷活塞已在特種發(fā)動機上得到了一定的應用。五十鈴汽車公司所研制的絕熱發(fā)動機已運行了 3500h。據(jù)介紹，它的活塞是采用 Si3N4 活塞頭部，用一鋼卡環(huán)與鑄鐵裙部連接，頭部與裙部之間設置空氣隙，并安裝一隔熱襯墊。這種設計的活塞隔熱效果較佳，頭部最高溫度為 700，裙部卻只有 100200。但由于陶瓷的性能特點、復雜的制造技術(shù)和高成本，要使陶瓷活塞大規(guī)模地應用于內(nèi)燃機，還需要做許多研究工作。樹脂基復合材料樹脂基復合材料作為一種新型的工程材料已廣泛應用于國民經(jīng)濟的許多領域，如鑄造用的玻璃纖維增強塑料模具和軍工用的導彈頭錐。美國西密歇根大學采用 30%短切石墨纖維增強聚酞業(yè)胺樹脂基復合材料(260下抗拉強度可達102MPa，延伸率僅為 7.2%)制造活塞。囚此材料的耐熱溫度較低，故在活寨頂部等離子噴涂了一層 Mg 一 A1203 尖晶石熱障涂層。爾后將該活塞裝在了功率為3 .7kw 轉(zhuǎn)速為 3800r/m 的二沖程風冷小型發(fā)動機上進行了 1500 小時臺架試驗。盡管活塞頂部出現(xiàn)燒蝕，但該復合材料在制造小型活塞仍具有一定的生命力。碳及碳纖維增強碳基復合材料石墨具有自潤滑性好、導熱率高、耐熱性能優(yōu)良、尺一寸穩(wěn)定性好、熱膨脹系數(shù)小、體積密度低等特點。但普通石墨的力學性能不高，使其在活塞材料上一直難于應用。隨著等靜壓成型技術(shù)和細結(jié)構(gòu)高強度石噩的發(fā)明，綜合性能良好的高強度石墨材料在活塞上的應用才真正具有了可能性和現(xiàn)實性。碳纖維增強碳基復合材料除了石墨材料所具有的一切理化性能外具有最優(yōu)異的高溫性能在 1700C 的惰性環(huán)境下抗彎強度為 571.9MPa。美國賽車公司在 2 .4KW發(fā)動機 32 小時全負荷性能臺架試驗中發(fā)現(xiàn)碳纖維增強碳基復合材料的活塞明顯優(yōu)于鋁合金活寨，且活塞頂面完好無損。其成本分析報告指出:按年產(chǎn) 25 萬只碳基復合材料的活塞計算.每只活塞成本為 14 美元，如果將年產(chǎn)量擴至 100 萬只則單只活塞成本可降到 9.1 美元，而鋁合金活塞的單只成本為 6 一 12 美元，由此一可見，碳基復合材料活塞有著廣闊的應用前景。結(jié)束語現(xiàn)代道路交通設施的完善以及物資流通速度的加快促使汽車工業(yè)制造出快第 35 頁 共 43 頁速、高效的交通運輸工具而對汽車發(fā)動機提出了更高的要求:提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速和功率一活塞工作速度達 11m/s16m/s，功率達到 450 馬力或更高。隨著汽車發(fā)動機向高速化、大功率方向的發(fā)展，活塞材料除對常溫強度、使度、延伸率、熱膨脹系數(shù)等性能要求不斷提高外，還對其高溫性能(如高溫拉伸強度、高溫疲勞強度、導熱率)及耐磨性能提出了更高的要求。因此合理選擇活寒制造材料對于新型發(fā)動機的開發(fā)至關(guān)重要。對于輕、中型汽車及轎車用發(fā)動機來說，共晶(亞共晶)AI-Si 合金以其良好的材料綜合性能仍然是制造活塞的首選材料;對于重型大馬力發(fā)動機而言，鋼頂鋁裙材料的活塞已經(jīng)得到大量應用，而在眾多活塞新材料中過共晶 Al-Si合金、鋁基復合材料以及碳纖維增強碳基復合材料均以其優(yōu)良的材料綜合性能以及關(guān)鍵技術(shù)的突破、逐步降低的制造成本等優(yōu)點而最具發(fā)展前途。第 36 頁 共 43 頁2.英文技術(shù)資料Automobile engine piston material selection and development trendThe piston is called the engines heart. It is the most important parts in the engine of one. Its function is withstanding gas pressure, and driven by the piston pin to crankshaft connecting. When the engine work directly with transient temperature, the pistons 22 degrees Celsius temperature gas contact, the top temperatures reached 3008 and temperature distribution uneven; In power stroke ZhaiDing department live under a lot of gas pressure, 4MPa a gasoline engine 5MPa, diesel engine of 8MPa a 9MPa, as even higher; In addition, the piston cylinder reciprocating movement in linear can reach, l1m/s a dedicated 16m/s; In this harsh conditions work. The piston under high temperature and high pressure the heat load and mechanical load. Therefore the pistons as automobile engine transmission of energy a very important component of its material, has special requirements: density is small, light quality, thermal conductivity, good thermal expansion coefficient little; And have enough of the high temperature strength, wear and corrosion resistance, dimension stability is good. Also should have easy to manufacture and cheap characteristics. With the continuous development of automobile engine with progress, people on the research and application of the piston material have also made considerable development.The development and application of aluminium alloy piston material profilesThe worlds most drought car engine piston is cast iron. In 1911, aluminum alloy material with its light, good low thermal conductivity and characteristics of thermal expansion coefficient of the focus of peoples attention, and began to get used to manufacture the piston. 1920 a Cu Al - NI - Mg department alloy - officially applied successfully in the automobile engine village, so as to prove the live cast aluminium author introduction:1, Cu - NI Al - of Mg alloy.The department alloy in 1920 start applied in Britain. Its typical alloy code LMI4 (English), there SAE39 beauty), AC5A (date). This alloy is the advantage of good high strength, thermal conductivity, elongation and wear resistance; But its expansion coefficient and the density of the prisoner larger, casting performance is poor and contain more precious metal price is more expensive and be eliminated.第 37 頁 共 43 頁2, Cu - Si Al - of alloysThis kind of alloy advantage is: because it contains a certain amount of silicon, casting performance is better, machinability a also improved; In normal temperature and high temperatures are good mechanical and physical properties. In the 1970s, this alloy was before the former Soviet union and other countries the most widely used a kind of material, our XieFangPai CAIOA, CAIOB, CAIOC type automobile pistons also USES this alloy a. Its typical alloy code have SAE300 (USA), A110B (Russia), AC2A (date). This alloy steels are defect is: larger, because contain more Cu, so volume stability is bad, will produce permanent grow up phenomenon caused by the piston bite cylinder, therefore the domestic has stopped using this kind of material.3, AI - Si alloysBecause the AI - Si alloy linear expansion coefficient than fume small, small, good abrasion resistance, casting performance and so on a series of advantage and be used in modern engine pistons manufacturing the most extensive materials. This kind of alloy according to the discretion of containing Si quantity can be divided into altogether (industry) crystal and eutectic type two kinds big.4, eutectic (the eutectic) type AI - Si alloysDomestic and international light, towel type car gasoline and diesel engine and car engine piston is used mostly the eutectic (the eutectic) type AI - Si alloys. The typical eutectic (the eutectic) type AI - Si alloy piston material grades and the chemical constituents see table 1. These alloys containing I quantity in 8.5% a 13%, general to improve performance and high temperature alloy in which joined Cu Mg alloy elements such as Ni Mn multivariate alloying. Table 2 listed eutectic (the eutectic) type piston material Al a Si alloy normal temperature and high temperature performance.The alloy can improve the Cu alloy is normal and high temperature strength, improve the alloy cutting processing properties and surface finish; But too Cu amount will make alloy density increases, hot tear tendency increases, corrosion resistance is reduced, casting performance becomes worse, also make alloy costs. And as a prison with AI - Si piston in guarantee its strength alloy should be under the premise of a can reduce as sichuan contain copper quantity.Mg is AI - Si alloy improve alloy strength of importance chemical element, 第 38 頁 共 43 頁especially when used together with CU alloy heat resistance may be further improved. But Mg addition amount in too easily formed on grain boundary brittle phase, the decline in alloy intensity. Another Mg may also cause casting slag, so Mg addition amount general control in 0.4% a 1.5%. Domestic manufacturer is much control in 0.7% a between 1.0%.Mn can improve the thermal stability, high temperature alloy lasting strength and make degrees, also maiden a to reduce the harm of iron impurity element. But to join too many Mn can form bulky brittle compounds, but reduce alloy intensity. Mns addition amount control under 1%.Foreign material think. Ni can improve alloy temperature strength and alloy thermal stability. If the ZLI09 containing Ni Ni than not ZLI08 volume stability of. The pistons for this part is very significant. But in recent years that some of the experimental research and to alloy: addition Ni high-temperature performance and no significant improvementDomestic and foreign automobile engine development and application of the piston materialBecause al-si alloy Si content in a more than 6% of 8%, organization will appear thick needle eutectic silicon organizations, the mechanical properties of the reduced. Alloy Therefore, eutectic (the eutectic) type AI - Si alloy need to undertake modification. Eutectic silicon common metamorphic elements have making Sr P Sb RE etc, with domestic application more is deteriorating, making good results. Salt But making money metamorphic effective time is short. Also will increase to production safflowerfraie corrosion inconvenience. Sr has the strong metamorphism and enough, but the validity, long metamorphism is expensive and metamorphic when r increased, so is still alloy inspiratory making cannot replace. At present, for eutectic type I - I alloy ZLID9 it (such as more adopted in lieu of phosphorus metamorphic agent making metamorphism, and phosphorus metamorphic effect is better than by making salt metamorphic popularize the use of domestic numerous piston manufacturer.Now in the most widely used car engine on the AI - Si. ZLIQ9 (piston material GMahlel24, for AC8A), foreign famous Cummins engine manufacturer (such as Renault, etc.) and domestic yuchai, tin wood are used as engine manufacturer the material made the pistons.第 39 頁 共 43 頁Eutectic type AI - Si alloysWith the engine to power, torque, noise, emission requirements more and more high, eutectic (the eutectic) type AI - has been difficult to achieve Si alloy using performance requirements. Therefore, people look to another kind of more ideal piston material - after eutectic type AI - Si alloys. This kind of alloy contain Si quantity as much as 17% a 26%, and with the increase of the content of Si coefficient of linear expansion, alloy decreases accordingly, wear resistance and volume stability improved and alloy decreases, use with density and the manufacturing engine piston, can design on the narrowing of the piston and cylinder tube wall, and ask asked gap. Therefore improve engine efficiency by world researchers attention 3 foreign across eutectic type AI - Si alloy earlier, research and application of use scope has been expanded to bills from motorcycle Detroit auto piston. In recent years for this type of domestic piston material also done a lot of research, but less is of practical application. Domestic and foreign representative had eutectic AI - Si alloy nameplate and chemical composition table 3. Table 4 for eutectic type AI - Si alloy live village materials normal temperature and high temperature performance comparison. After eutectic type piston alloy press Si content is divided into three groups: group one for 17% a 19%, 20% of a 23%, group redquin three 24% a 26%. 123 group good workmanship, applied in practical production more; The third group, due to high levels of si crystallization casting property range, very poorly, the metamorphic difficult w