铝制发动机最先进的加工工艺介绍.pdf

还用铸铁缸套？铝制发动机最先进的加工工艺 如今的汽车制造商面临的众多挑战之一就是在动力总成中降低车体质量和摩擦 损耗以改善整车效率，这成为采用铝合金发动机缸体替代传统的铸铁缸体的一个 重要驱动力。铝合金的一大优点就是能降低整体重量。但铸铁缸套仍在使用，因 为铸铁拥有普通铝合金所不具备的重要的摩擦学特征。因此，众多的汽车制造商 花费了大量的时间研究如何用铝合金汽缸体解决摩擦学不足的工程解决方案。 PTWA工艺 其中一个较早的方案是在铝合金缸体的缸筒上加铸铁缸套。总的来说，这一方案 比较容易使生产概念化，而且相比 Nikasil®, Lokasil®等缸筒解决方案它比较 经济，在当时这一方案比较可行。灰铸铁缸套 （GCI）的其中一大缺点在于缸套 与缸体之间的封装与其重量。灰铸铁缸套 （GCI）相比铝合金还有一个显著的缺 点在于其热力学特征。这不仅体现在其热传导性上，还表现在物理特征妨碍了其 维持最佳燃烧所需要的活塞效率和内径温度。 根据嵌入类型还可能进一步造成缸套与缸体材料之间的接合不理想，并在缸套与 缸体之间形成绝缘点。根据这些不理想接合点的位置分布，可能使发动机生产的 击倒抗性产生重大改变。 如今，热喷涂缸筒应用技术的开发使汽车制造商能够在缸筒内涂上一层耐磨涂 层，替代传统的铸铁缸套。柯马可为客户提供一套融合创新的等离子高速熔焊 (PTWA)热喷涂系统。PTWA 工艺采用高速离子化熔焊技术，使钢粒子在铝合金缸 筒上形成一层涂层。喷涂了涂层后的铝合金缸体依旧是一体式缸体，不再因嵌入 一个灰铸铁 （GCI）缸套而需要忍受缸筒变形问题，也不再具有灰铸铁缸套所有 的热力学缺点。 用等离子热喷涂缸筒取代灰铸铁缸套，不仅减少了发动机的总体重量，而且增加 了其耐磨性并降低了能耗。 热能改进：缸孔温度降低 目前已有不少报道说明热喷涂涂层缸套比铸铁缸套具有更多的优势。在发动机质 量上，根据缸体的几何构造并综合改善后的耐久性，热喷涂涂层缸套可以为每个 缸筒降低 454g 的质量。热喷涂技术还可以增强制造的灵活性，因为一台设备可 以为不同长度和直径的缸筒实施喷涂。更重要的是，热喷涂涂层改善了热力学特 性、散热性、机械效率，并可以提高整体的燃油效率。 工艺配置 成功运用热喷涂涂层方案的一个关键是工艺配置。就灵活性和优化整合方面， Greenfield 现场的运用优势显著，而根据喷涂工序所处的位置，也存在生产制 造出现受限的情况 （Brownfiled 现场）。 如果 Brownfiled 现场的一家制造商企图尽量减少新设备的投入，例如只想增加 一台热喷涂设备，则典型的应用应该是将该设备尽量置于工艺上游，但这一做法 对成本投资和发动机性能影响显著。因此，汽车制造商需要仔细权衡其生产目标， 将简化处理、发动机性能和整体投资按照相对重要性排列出优先次序，然后选出 最佳的解决方案。 很明显，这里的 “最佳”解决方案是优化生产次序并将新增工序完美融入当前工 艺的设计。虽然存在多个选择项，但柯马建议的目前方案是精密镗孔结合表面处 理、喷涂，然后粗糙打磨缸筒加工。处理基材表面处理基材表面，使缸筒内壁无 任何涂层，是成功进行热喷涂处理的第一个关键工序。 目前普遍使用的表面处理技术有很多，在粘结强度、喷涂难易以及成本方面区别 也很明显，使用最普遍的有喷砂、水刀和机械粗加工。早期的发动机制造商采用 的是喷砂处理，柯马认为这种处理方法有太多的内在问题需要考虑。最显著的问 题是喷砂需要不断地清洗与烘干。 而更多的汽车制造商避免使用喷砂是由于这种处理方法会对发动机产生污染，而 在热喷涂加工看来，即使工艺过程中产生极细的粉末也会影响喷涂涂层的粘结 度。相比之下，高压水刀打磨不使用粗砂或打磨材料，而采用液体射流冲刷基材 表面。这种加工方法的优点是打磨表面只需烘干，无需清洗。 如果选择液体打磨的方案，则评估基材质量和孔隙率非常关键，特别是基材是否 属于高压铸造 （HPDC）。这一工艺会明显改变缸筒内径，因为工艺过程中需要安 装监控并引入机械臂控制以保涂层粘结度，然而统计过程控制 (SPC)中难以测量 基材表面各种系数，又使其难于很好地监控工件， 一旦得知并计算出这些系数， 整个工艺往往能变得稳定而具有很好的可重复性。 另外，加工后的表面粗糙度相值相对较低，大约十几微米，这意味着基材表面已 经相当平滑，因此也可以通过降低喷涂涂层的表面粗糙度值改善涂层工艺。这一 工艺可能产生的问题是，一旦结合高压铸铁就会产生本质上的收缩，因而这种工 艺实际上使各种缺陷更显著化，包括加深已有孔隙或加剧收缩。加之与铸造缺陷 相互作用，