专题报道FEATURES轿车发动机气缸体设计开发中的材料与工艺中国第一汽车集团公司技术中心李金成实际上，除了发动机气缸体表现出来的力学性能是不同的，而1概述外，现代汽车上的很多零部件都面不同的力学性能就意味着不同的结近年来，随着节能、环保与安临着同样的强化结构、提高耐久构设计。全逐渐成为汽车技术发展的主题，性、减轻质量、降低成本的课题。图1和图2所示为同一种铝合轿车发动机技术也朝着小型化、高但解决这些问题仅仅靠优化结构设金材料在熔化过程中不同的变质处功率密度、低排放、低油耗方面发计来解决是远远不够的，结构设计理结果。虽然两者在化学成分分析展。而发动机技术的发展，特别是本身并不能代替由于改善基础材料上没有任何区别，但由于微观结构增压小型化高功率密度技术的发展性能、铸造工艺、热处理工艺等方不同，其最终表现出来的力学性对发动机的设计、材料和工艺都提面的技术而带来的好处。如果不将能也是不同的。而在气缸体设计过出了严峻挑战，而作为发动机骨架基础材料性能、铸造工艺、热处理程中，工程师有时采用名义的材料的气缸体更是首当其冲。先进的轿工艺改进的技术体现到具体的结构机械强度进行结构设计校核或者有车发动机气缸体所面临的主要挑战设计中，我们面临的上述问题则无限元分析，而名义的材料机械强度如下。从解决。如果能将具体的结构设计往往会与实际铸件的强度有很大差（1）随着发动机强化程度越来优化与基础材料性能、铸造工艺、别，最终导致在发动机开发试验甚越高，气缸体所承受的机械负荷应热处理工艺等技术的改善紧密地结至生产过程中产生质量问题。力越来越高。合，真正实现面向生产制（2）随着发动机功率密度的提造而设计，进而实现零部高以及尺寸越来越紧凑，气缸体承件的强度、耐久性、减受的热负荷也越来越高，特别是连重、成本等各方面性能均体缸套缸体相邻两缸之间的热负荷优化的结果。越来越高。2基础材料和工艺（3）由于发动机设计越来越紧技术在设计开发中凑，对气缸体毛坯尺寸精度的要求图1由于变质处理差造成的粗糙微观结构的重要性越来越高，特别是镶缸套的铝气缸体。基础材料技术不会直接影响零（4）由于机械负荷和热负荷的部件的结构设计，但其直接影响铸提高，对气缸体关键部位（如两缸件的力学性能，而铸件的力学性能之间、主轴承座）的铸造质量要求将直接影响零部件的设计概念，并越来越高。且对零部件的强度进行有限元分析（5）由于节能的需要，气缸体也需要基础材料参数作为输入条的质量应不断减轻。件，因此基础材料技术对零部件的图2好的微观结构（6）由于爆发压力高、热负荷结构设计有很大的影响。图3所示为在液态Al7SiMg中存大，控制缸筒磨损和变形也越来越以铝气缸体为例，可用的合金在的裂纹，裂纹的尺寸为微米级，困难。品种很多，但当采用不同的熔化、很难被发现。但这种裂纹主导着合（7）低成本要求。铸造和热处理工艺时，这些合金所金中的微观结构，并进一步影响材2009年第1期汽车工艺与材料AT&M1专题报道FEATURES到灌注的方式。和热负荷零部件的设计及有限元分（2）将浇口的流速控析过程中，已经从概念设计的初始制在0.5m/s以内。阶段就根据零件所承受的工作负荷（3）采用好的铸造工情况，定义要采用何种基础材料和艺，如COSWORTH铸基础工艺，以保证开发出来的产品造工艺。能够满足汽车的实际工作需要，这国外一些公司采用铸是现代汽车产品开发的特点。造质量指数的概念来评价从以上角度看，基础材料和工同一种材料采用不同铸造艺技术的开发必须走在产品开发的图3液体合金中的裂纹工艺时的综合性能指标。前面，也就是说必须比产品开发有料的力学性能，因此在结构设计中铸造质量指数的定义如下。一定的提前量，以保证在产品开应该将这些问题都考虑进去。这也Q=UTS+K×logElongation发设计之前材料及工艺技术即已成是为什么在气缸体开发过程中要求式中，Q为铸造质量指数；UTS为熟。因为在产品开发过程中要绝对从零件中制取试棒进行力学性能测抗拉强度；K为系数，不同的合金此避免引进新技术，包括引进新的基试，只有这样才能反映材料的实际系数不同，对于T7处理的A357铝合础材料和工艺技术，以降低产品开力学性能状态。金，K=150；Elongation为伸长率。发的风险。国内汽车企业在这方面除了熔化工艺外，不同的浇注图5所示为某铸造公司铝气缸体是吃过不少苦头的，由于没有提前方式对铝合金材料力学性能的影响采用不同铸造工艺时铸造质量指数储备材料和工艺技术，只能在产品也很大。图4所示为不同浇注方式对的变化情况。开发过程中同步开发基础材料和工材料抗拉强度的影响。从图5可以看出，通过采用不同艺技术，但由于基础材料和