面向輕量化的發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件材料及工藝探究

寧李譜

（泛亞汽車(chē)技術(shù)中心有限公司，上海 201208）

主題詞：汽車(chē) 發(fā)動(dòng)機(jī) 材料 工藝 輕量化

1 引言

隨著CO排放量的增加，世界各地氣候異?，F(xiàn)象和極端氣候?yàn)?zāi)難頻發(fā)，應(yīng)對(duì)氣候變化已成為人類(lèi)面臨的共同挑戰(zhàn)。習(xí)近平主席在2020年12月12日“領(lǐng)導(dǎo)人氣候峰會(huì)”上宣布將碳達(dá)峰、碳中和納入生態(tài)文明建設(shè)整體布局。然而，我國(guó)要在10年內(nèi)實(shí)現(xiàn)碳排放達(dá)峰、40年內(nèi)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的任務(wù)十分艱巨。

截至2020年底，我國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)保有量達(dá)3.72億輛，其中汽車(chē)保有量為2.81億輛，是全球第1大汽車(chē)生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)市場(chǎng)。汽車(chē)產(chǎn)量的不斷增長(zhǎng)在給國(guó)家經(jīng)濟(jì)注入活力，極大改善人們生活水平的同時(shí)，帶來(lái)的能源和環(huán)境等問(wèn)題也成為汽車(chē)行業(yè)發(fā)展面臨的重要問(wèn)題。汽車(chē)行業(yè)的碳減排對(duì)我國(guó)能否順利實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和至關(guān)重要。汽車(chē)碳排放量主要受車(chē)輛整備質(zhì)量、燃油經(jīng)濟(jì)性、耗電量等因素影響，高效驅(qū)動(dòng)技術(shù)的開(kāi)發(fā)及輕量化技術(shù)的應(yīng)用將有助于汽車(chē)全生命周期碳減排。

《節(jié)能與新能源汽車(chē)技術(shù)路線(xiàn)圖2.0》關(guān)于燃油車(chē)的油耗，提出了明確的要求，2025年、2030年、2035年3個(gè)階段，乘用車(chē)（不含新能源車(chē)）新車(chē)平均100 km油耗分別需要達(dá)到5.6 L、4.8 L和4.0 L。對(duì)于燃油車(chē)來(lái)說(shuō)，降油耗是必然的，但是隨著油耗法規(guī)要求愈發(fā)嚴(yán)苛，下降空間越來(lái)越小，依靠提高熱效率降油耗的難度也越來(lái)越大。所以，出于對(duì)油耗、成本等各種因素的考量，輕量化無(wú)疑是降油耗最直接的技術(shù)手段。研究表明，若汽車(chē)整備質(zhì)量降低10%，燃油效率可提高6%~8%；汽車(chē)整備質(zhì)量每減少100 kg，100 km油耗可降低0.3~0.6 L；汽車(chē)整備質(zhì)量降低1%，油耗可降低0.7%。據(jù)歐洲鋁業(yè)協(xié)會(huì)報(bào)告，汽車(chē)整備質(zhì)量每降低100 kg，100 km可節(jié)約0.6 L燃油，CO減排800~900 g。同時(shí)，汽車(chē)整備質(zhì)量減輕還能使車(chē)輛在動(dòng)力、操控以及安全等方面具有更出色的競(jìng)爭(zhēng)力。在普通的輕型車(chē)輛中，發(fā)動(dòng)機(jī)重量約占汽車(chē)整備質(zhì)量的10%~15%，可以說(shuō)發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化是整車(chē)降低碳排放的重要組成部分。

除了結(jié)構(gòu)優(yōu)化以外，輕量化技術(shù)主要是材料和制造工藝2個(gè)方面，如圖1所示。其中，輕量化材料主要有2類(lèi)：（1）高強(qiáng)度材料，主要指高強(qiáng)鋼；（2）低密度材料，主要指鋁合金、鎂合金、鈦合金、工程塑料及復(fù)合材料等。輕量化制造工藝方面包括熱沖壓成型、液壓成型、鋁鎂合金壓鑄新工藝、精密鍛造成型等成型工藝。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化技術(shù)分類(lèi)

2 發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件材料

輕量化技術(shù)需要在保證強(qiáng)度和安全性能的前提下才能完成，由于發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜苛刻的工作條件，包括高溫、高壓、腐蝕、摩擦磨損及振動(dòng)等，所以和汽車(chē)其它零部件相比，發(fā)動(dòng)機(jī)零部件需要具備高強(qiáng)度、耐疲勞、耐沖擊、耐磨損及NVH性能好，進(jìn)而發(fā)動(dòng)機(jī)零部件對(duì)其所用的材料也提出了更高的要求。

2.1 缸體和缸蓋

2.1.1 缸體

缸體可以說(shuō)是發(fā)動(dòng)機(jī)的軀體，是發(fā)動(dòng)機(jī)最基礎(chǔ)的零部件，其它各種零部件都直接或者間接安裝在它的上面。缸體承載著曲軸、活塞、連桿等結(jié)構(gòu)件，需要承受燃燒過(guò)程中壓力和溫度的急劇變化及活塞（環(huán)）高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的強(qiáng)烈摩擦，工作條件十分惡劣，如圖2所示。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)缸體

汽油發(fā)動(dòng)機(jī)目前更多的采用鋁合金缸體，或者是鋁鎂合金缸體。結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的缸體大多數(shù)采用的是高壓鑄造，對(duì)于內(nèi)腔結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的缸體一般采用消失模鑄造和Cosworth法。

鋁合金缸體的優(yōu)點(diǎn)：

（1）散熱性能好，有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比；

（2）重量輕，在相同結(jié)構(gòu)下，與鑄鐵材料相比，重量可以減輕40%~60%。

鋁合金缸體的缺點(diǎn)：

（1）成本較高；

（2）需要缸套或者通過(guò)特殊措施對(duì)缸筒內(nèi)表面進(jìn)行鍍層處理，來(lái)提高內(nèi)表面的耐磨性。

氣缸套是鑲嵌在缸體上的，支撐活塞（環(huán)）往復(fù)運(yùn)動(dòng)，要求必須非常耐磨，如圖3所示。因此，一般采用耐磨性好的鑄鐵材料（例如：珠光體鑄鐵、合金鑄鐵、高磷鑄鐵、含硼鑄鐵）。目前，在鋁合金缸體上可以直接使用金屬?lài)娡考夹g(shù)，獲得一層致密耐磨的鐵基涂層，同時(shí)可以利用激光淬火，增強(qiáng)其硬度和耐磨性，可以大大減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的重量。

圖3 鋁合金缸體中的鑄鐵缸套

2.1.2 缸蓋

缸蓋從上部密封缸體，并與活塞頂部一起構(gòu)成燃燒室，會(huì)與高溫高壓的燃?xì)庵苯咏佑|，所以其要承受很大的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷?，F(xiàn)今的發(fā)動(dòng)機(jī)，缸蓋基本都為鋁合金材質(zhì)，這主要得益于鋁合金的導(dǎo)熱性較好。缸蓋承載著配氣機(jī)構(gòu)的零部件，包括正時(shí)系統(tǒng)、凸輪軸、搖臂、進(jìn)/排氣門(mén)、氣門(mén)座圈、氣門(mén)導(dǎo)管，還有進(jìn)/排氣道等。缸蓋內(nèi)部有復(fù)雜的冷卻水道和油道，分別與缸體的冷卻水孔和油孔相通，利用循環(huán)水來(lái)冷卻燃燒帶來(lái)的高溫，如圖4所示。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋

缸蓋和缸體的工作條件和結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度有許多相同之處，所以2者一般使用同樣的材質(zhì)和工藝。鋁合金材料導(dǎo)熱性能好，具有良好的冷卻性能，是1種優(yōu)異的氣缸材料。鋁合金中加入Cu可改善熱穩(wěn)定性，加入Mg可提高鑄件硬度。目前，大多數(shù)鋁合金缸蓋采用的是金屬型重力鑄造和低壓鑄造。

2.2 曲軸

曲軸在工作過(guò)程中，受到燃燒壓力、慣性力及力矩的共同作用，從而產(chǎn)生拉壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切等交變應(yīng)力，要求曲軸有較高的抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、剛度及耐磨性，同時(shí)心部還要有一定的韌性。目前，普遍使用的曲軸材料主要有鍛鋼和球墨鑄鐵2類(lèi)，如圖5所示。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸

2.2.1 鍛鋼曲軸

采用精鍛中碳鋼或中碳合金鋼，需要采用調(diào)質(zhì)(或正火)熱處理來(lái)提高強(qiáng)度并改善加工性能。鍛造曲軸由于需要熱處理，工藝較復(fù)雜，需要時(shí)間多，而且能源消耗較大。

微合金非調(diào)質(zhì)鋼是近些年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新鋼種，通過(guò)添加V、Nb、Ti等合金元素細(xì)化晶粒，強(qiáng)化基體，提高鋼的強(qiáng)度。優(yōu)點(diǎn)是，可省去調(diào)質(zhì)（或正火）處理工藝，具有明顯的簡(jiǎn)化工藝、節(jié)時(shí)節(jié)能效果。同時(shí)可改善切削加工性能。

2.2.2 球墨鑄鐵曲軸

球墨鑄鐵無(wú)殘余應(yīng)力，加工時(shí)產(chǎn)生的缺陷較少，而且其減振性、耐磨性、對(duì)缺口敏感性等方面優(yōu)于鍛鋼。鑄造工藝可使連桿軸徑中空，減輕回轉(zhuǎn)質(zhì)量，同時(shí)可減少曲柄拐角處的應(yīng)力集中。球墨鑄鐵曲軸，尤其是鑄態(tài)球墨鑄鐵曲軸，具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、能源消耗少、生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。

球鐵要取代鍛鋼，重點(diǎn)是提高動(dòng)態(tài)特性，尤其是動(dòng)態(tài)韌性，可采用等溫淬火（ADI）工藝，獲得基體為奧氏體加貝氏體混合組織，其中加入少量Ni、Mo或Cu來(lái)提高硬度。富含碳的殘余奧氏體比較穩(wěn)定，韌性好且不連續(xù)，極大地提高了材料的性能。ADI提高了球墨鑄鐵類(lèi)材料的機(jī)械性能，拓展了球鐵材料的應(yīng)用空間，使得球墨鑄鐵材料具有高強(qiáng)度、高韌性、耐疲勞和耐磨性能。

2.3 活塞和活塞環(huán)

活塞頂部承受燃?xì)鈮毫?，并通過(guò)活塞銷(xiāo)傳給連桿，并使曲軸旋轉(zhuǎn)，如圖6所示。

圖6 活塞、連桿及曲軸位置關(guān)系

2.3.1 活塞

活塞的基本結(jié)構(gòu)可分為頂部、頭部和裙部?；钊敳窟€是燃燒室的組成部分?；钊苯优c高溫氣體接觸，頂部溫度高達(dá)600~700 K，且溫度分布很不均勻，同時(shí)活塞頂部承受氣體壓力很大，活塞在缸筒內(nèi)高速（8~12 m/s）往復(fù)運(yùn)動(dòng)，且速度在不斷地變化?；钊谶@種惡劣的條件下工作，會(huì)產(chǎn)生變形并加速磨損，還會(huì)產(chǎn)生附加載荷和熱應(yīng)力，同時(shí)受到燃?xì)獾幕瘜W(xué)腐蝕作用。

對(duì)活塞材料的要求：

（1）有足夠的剛度和強(qiáng)度；

（2）導(dǎo)熱性好，有充分的散熱能力；

（3）低摩擦、耐磨損；

（4）熱膨脹系數(shù)小，溫度變化時(shí)，尺寸、形狀變化要??；

（5）重量輕，盡可能減小往復(fù)慣性力。

鋁合金材料基本上滿(mǎn)足上面的要求，因此，汽油機(jī)活塞一般都采用高強(qiáng)度鋁合金。

2.3.2 活塞環(huán)

活塞環(huán)安裝在活塞頭部的環(huán)槽中，以防止高溫、高壓燃?xì)飧Z入曲軸箱，同時(shí)阻止機(jī)油竄入燃燒室?；钊h(huán)數(shù)取決于密封的要求，與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和燃燒壓力有關(guān)。高速發(fā)動(dòng)機(jī)的環(huán)數(shù)比低速發(fā)動(dòng)機(jī)的少，汽油機(jī)的環(huán)數(shù)比柴油機(jī)的少，一般情況下，汽油機(jī)采用2道氣環(huán)、1道油環(huán)，如圖7所示。

圖7 活塞、活塞環(huán)與缸套位置關(guān)系

活塞環(huán)用的材料一般3種：球墨鑄鐵；合金鑄鐵；鋼制（馬氏體不銹鋼或奧氏體不銹鋼）。汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞環(huán)一般采用鋼制，相比鑄鐵環(huán)，鋼質(zhì)活塞環(huán)工藝簡(jiǎn)單，重量較輕、加工方法簡(jiǎn)單?；钊h(huán)發(fā)展的另一趨勢(shì)是薄型化，活塞環(huán)高度變小，活塞環(huán)與缸套之間的密封性加強(qiáng)，可以進(jìn)一步減少潤(rùn)滑油竄入燃燒室的機(jī)率。

活塞環(huán)直接與缸壁接觸，并且隨活塞高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，要求其有很好的耐磨性，與此同時(shí)還需要保證潤(rùn)滑性能。目前，在鑄造基材上帶有鍍鉻層的活塞環(huán)和帶有氮化鉻PVD涂層的鋼活塞環(huán)應(yīng)用較廣泛。近些年，出現(xiàn)的DLC涂層，主要作為功能涂層，可以涂覆在抗磨損涂層（氮化層、PVD層）之上，進(jìn)一步減少了涂層磨損水平。

2.4 連桿

連桿是發(fā)動(dòng)機(jī)的核心受力部件，連接活塞和曲軸，把活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并將活塞承受的力傳給曲軸。這些力的大小和方向都是周期性變化的，因此連桿受到強(qiáng)烈的交變載荷作用，做復(fù)雜的平面運(yùn)動(dòng)。所以，連桿必須有足夠的疲勞強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)剛度。連桿桿身通常作成工字型斷面，以求增加其強(qiáng)度和剛度。連桿大頭與曲軸的曲柄銷(xiāo)相連，大頭一般作剖分式的，被分開(kāi)的部分稱(chēng)為連桿蓋，使用連桿螺栓緊固在連桿的大頭上，如圖6所示。

鑄造連桿因具有成本優(yōu)勢(shì)，采用可鍛鑄鐵和球墨鑄鐵生產(chǎn)，多用于轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)。常規(guī)粉末冶金燒結(jié)連桿，其疲勞強(qiáng)度等力學(xué)性能已達(dá)到鑄造連桿的水平，成本低且重量偏差小，有望取代鑄造連桿。目前大量使用的連桿是模鍛件，適用于高負(fù)荷、高轉(zhuǎn)速發(fā)動(dòng)機(jī)。鍛造是使材料發(fā)生塑性變形，從而變成具有一定形狀和尺寸的鍛件，改善組織結(jié)構(gòu)，獲得高的力學(xué)性能。對(duì)于鍛造材料，多選用調(diào)質(zhì)鋼，也可選用微合金非調(diào)質(zhì)鋼。粉鍛連桿是將常規(guī)粉末冶金工藝與機(jī)械精鍛相結(jié)合，既具有粉末冶金的特性，又具有機(jī)械精鍛的優(yōu)點(diǎn)。

2.5 凸輪軸

凸輪軸控制氣門(mén)的開(kāi)啟和閉合動(dòng)作。雖然在四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)里凸輪軸的轉(zhuǎn)速是曲軸轉(zhuǎn)速的一半，不過(guò)它的轉(zhuǎn)速依然很高，而且需要承受較大的扭矩。因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中對(duì)凸輪軸在強(qiáng)度和支撐方面的要求很高。凸輪軸承受周期性的沖擊載荷，凸輪與搖臂（或者挺柱）之間的存在接觸應(yīng)力，相對(duì)滑動(dòng)速度也很高，導(dǎo)致凸輪工作表面的磨損比較嚴(yán)重。所以，凸輪軸軸頸和凸輪工作表面除尺寸、表面粗糙度和剛度要求外，還應(yīng)有較高的耐磨性，同時(shí)也需要保證良好的潤(rùn)滑條件。

對(duì)于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，目前多采用雙頂置凸輪軸，位于氣缸蓋上側(cè)，如圖8所示。凸輪軸通常由優(yōu)質(zhì)碳鋼或合金鋼鍛造，也可用合金鑄鐵或球墨鑄鐵鑄造。軸頸和凸輪工作表面經(jīng)熱處理后磨光。為了減輕重量，有些凸輪軸采用型芯鑄造，可以做成空心凸輪軸。裝配式凸輪軸，亦稱(chēng)組合式輪軸，是將凸輪軸分成凸輪、芯軸、軸頸等若干個(gè)可裝配件，分別進(jìn)行材料優(yōu)化及精益加工，再組裝成整體凸輪軸的新型組合設(shè)計(jì)。凸輪一般采用碳鋼或粉末燒結(jié)材料，碳鋼凸輪可進(jìn)行精密塑性成形，并進(jìn)行高頻淬火或滲碳處理，芯軸則采用冷拔無(wú)縫鋼管。

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸及其位置

2.6 氣門(mén)

氣門(mén)用來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)輸入空氣并排出燃燒后的廢氣，分為進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén)，如圖9所示。氣門(mén)是由氣門(mén)頭部和桿部組成。氣門(mén)頭部要承受燃燒帶來(lái)的高溫（進(jìn)氣門(mén)：570~670 K，排氣門(mén)：1 050~1 200 K），同時(shí)還承受氣體的壓力、氣門(mén)彈簧的作用力和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的慣性力，而潤(rùn)滑、冷卻條件相對(duì)比較差，要求氣門(mén)必須有一定強(qiáng)度、剛度、耐熱和耐磨性能。

圖9 發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)

氣門(mén)一般采用耐熱鋼材料，例如鉻鋼、鎳鉻鋼、硅鉻鋼、鎳基合金等。由于氣門(mén)在發(fā)動(dòng)機(jī)里工作環(huán)境惡劣，有時(shí)還會(huì)在氣門(mén)表面噴涂一層鎢鈷合金，用以提高耐蝕性和耐高溫性能。為了增強(qiáng)氣門(mén)的散熱性，尤其是排氣門(mén)，會(huì)在氣門(mén)內(nèi)部充金屬鈉，鈉受熱熔化后在氣門(mén)內(nèi)部流動(dòng)，可以將氣門(mén)頭部的熱量帶走并散發(fā)出去。

氣門(mén)座圈鑲嵌在缸蓋上面，與氣門(mén)配合工作，工作條件與氣門(mén)類(lèi)似，一般采用耐熱合金鋼或者合金鑄鐵等。氣門(mén)彈簧的作用是使氣門(mén)回位，同時(shí)保證氣門(mén)頭部和氣門(mén)座圈的落座力，一般采用優(yōu)質(zhì)冷拔彈簧鋼卷制而成，經(jīng)過(guò)熱處理，拋光或者噴丸處理而成。

2.7 軸瓦

發(fā)動(dòng)機(jī)中的滑動(dòng)軸承，有整體式和剖分式2種，整體式軸承通常稱(chēng)為軸套，典型應(yīng)用是活塞銷(xiāo)-連桿小頭之間的軸承；剖分式軸承通常稱(chēng)之為軸瓦，形狀為瓦狀的半圓柱面。軸瓦與軸頸之間是間隙配合，工作時(shí)要求有1層油膜起到潤(rùn)滑作用。如果由于潤(rùn)滑不良，軸瓦與軸之間就存在直接的干摩擦，摩擦產(chǎn)生的高溫仍然足于將其燒壞。軸瓦還可能由于負(fù)荷過(guò)大、潤(rùn)滑油存在雜質(zhì)或黏度異常等因素造成燒瓦。

軸瓦材料的要求是：摩擦系數(shù)小、有足夠的疲勞強(qiáng)度、良好的順應(yīng)性和耐腐蝕性。常用的軸瓦材料有軸承合金（巴氏合金）、銅合金、粉末冶金以及耐磨鑄鐵等。固體潤(rùn)滑軸承材料主要有聚合物、碳基材料和特種陶瓷3大類(lèi)，如圖10所示。

圖10 發(fā)動(dòng)機(jī)軸瓦示意

2.8 進(jìn)氣歧管

進(jìn)氣歧管是發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)中最重要的部件之一，決定著發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣效率和各缸進(jìn)氣的均勻性。塑料進(jìn)氣歧管，如圖11所示，具有重量輕、設(shè)計(jì)自由度高等優(yōu)點(diǎn)，采用注塑工藝成型，相比傳統(tǒng)的鋁合金材料，質(zhì)量可減輕40%~60%，且內(nèi)腔表面光滑，流動(dòng)阻力小，有助于提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能。常見(jiàn)材料有PA6+GF30、PP+SGF35等，尼龍材料具有較好的綜合性能，經(jīng)過(guò)玻纖增強(qiáng)改性后，其強(qiáng)度、尺寸穩(wěn)定性等指標(biāo)得到很大的提高，是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)及周邊部件中用量最大的工程塑料。

圖11 發(fā)動(dòng)機(jī)塑料進(jìn)氣歧管

2.9 平衡減振齒輪

平衡減振齒輪由輪齒齒圈、腹板、配重塊、橡膠環(huán)及輪轂組成，如圖12所示。其中，腹板設(shè)計(jì)有配重塊，整體結(jié)構(gòu)類(lèi)似扇形，可通過(guò)調(diào)整其厚度來(lái)調(diào)整動(dòng)平衡。橡膠環(huán)通過(guò)硫化工藝固接于在腹板與輪轂之間，可以隔離曲軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，提升平衡軸系統(tǒng)的耐久性，同時(shí)還可以降低齒輪的嚙合噪音。

圖12 減振齒輪結(jié)構(gòu)示意[24]

輪齒、腹板、配重塊及輪轂多采用粉末冶金材料，橡膠環(huán)材料為氫化丁腈膠，通過(guò)硫化工藝成為實(shí)現(xiàn)齒輪功能的關(guān)鍵部分，使得輪齒、腹板、配重塊、橡膠環(huán)及輪轂粘接為1個(gè)整體，成為功能完善的平衡減振齒輪。

3 輕量化制造工藝

除了采用高強(qiáng)度鋼、鋁鎂合金、復(fù)合材料以外，先進(jìn)的制造工藝也是輕量化的另一重要途徑。在不降低結(jié)構(gòu)件本身強(qiáng)度和剛度的情況下，實(shí)現(xiàn)減重的要求。

3.1 熱沖壓成型

熱沖壓成型也稱(chēng)沖壓硬化，多用于板材類(lèi)零件的沖壓成型。首先將初始強(qiáng)度為500~600 MPa的鋼板加熱到880~950℃，然后快速轉(zhuǎn)移至內(nèi)部帶有冷卻系統(tǒng)的模具內(nèi)沖壓成形，并處于保壓狀態(tài)，以大于27℃/s的冷卻速度進(jìn)行淬火處理，保壓淬火后，獲得均勻馬氏體組織，可以生產(chǎn)出強(qiáng)度高達(dá)1 500 MPa的超高強(qiáng)度鋼零件。熱沖壓成型技術(shù)可以改善沖壓成型性并提高尺寸精度，減輕重量，是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)工藝之一。

3.2 液壓成型

液壓成型也稱(chēng)為內(nèi)高壓成型，適用于沿構(gòu)件軸線(xiàn)變化的圓形、矩形截面或各種異形截面空心構(gòu)件。液壓成型是將管坯放入模具內(nèi)，利用高壓液體充入管坯空腔，同時(shí)輔以軸壓補(bǔ)料，使其直徑脹大至貼靠凹模的成型過(guò)程。與傳統(tǒng)沖壓焊接工藝相比，液壓成型技術(shù)可以提高成型精度、成型件的強(qiáng)度與剛度、減少模具數(shù)量、降低生產(chǎn)成本等優(yōu)點(diǎn)。

3.3 鋁鎂合金壓鑄新工藝

壓鑄成型是鋁鎂合金鑄造最主要的成型工藝。鋁鎂合金本身具有優(yōu)良的壓鑄工藝性能，包括合金液黏度低，流動(dòng)性好，易于充滿(mǎn)復(fù)雜型腔。近年來(lái)，一些新的鑄造方式包括精密鑄造、低壓鑄造、真空壓鑄、半固態(tài)壓鑄都有不斷的發(fā)展。目的是消除鑄造缺陷，提高尺寸精度及鑄件內(nèi)在質(zhì)量。優(yōu)勢(shì)主要在于獲得較高工藝品質(zhì)的同時(shí)，可以生產(chǎn)中空、薄壁、復(fù)雜構(gòu)件。隨著鑄造技術(shù)的進(jìn)步，壓鑄件產(chǎn)品的壁厚也越來(lái)越薄，對(duì)于面積在100~500 cm的鑄件，鋁合金、鎂合金可以生產(chǎn)1.8 mm壁厚的零件；對(duì)于面積大于500 cm的鑄件，鋁合金、鎂合金可以生產(chǎn)2.5 mm壁厚的零件。

3.4 精密鍛造成型

精密鍛造成型技術(shù)是指零件在鍛造過(guò)程中，僅通過(guò)少量環(huán)節(jié)的加工或者不需要進(jìn)行二次加工，就制造出尺寸精度達(dá)標(biāo)零件的技術(shù)?，F(xiàn)階段，精密鍛造成型技術(shù)主要用于精鍛零件和精細(xì)化毛坯2方面，即可以直接對(duì)零件整體、零件的某個(gè)部分及零件毛坯進(jìn)行加工。依據(jù)成型溫度不同可劃分為：冷精鍛、溫精鍛、熱精鍛及復(fù)合精鍛。此成型工藝具有成本低、效率高、節(jié)能環(huán)保、精度高等優(yōu)點(diǎn)。

4 新材料與新工藝在發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)中的位置

發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)流程（見(jiàn)圖13）按照順序可以分為設(shè)計(jì)需求、方案設(shè)計(jì)（概念設(shè)計(jì)）、總體設(shè)計(jì)與布置（初步設(shè)計(jì)）、性能設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)/強(qiáng)度設(shè)計(jì)（詳細(xì)設(shè)計(jì)）和制造工藝與試驗(yàn)驗(yàn)證（工程設(shè)計(jì)），其中概念設(shè)計(jì)為確定發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)類(lèi)型，進(jìn)行方案研究；初步設(shè)計(jì)是從總體上把握新研制發(fā)動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)；詳細(xì)設(shè)計(jì)起始于燃燒性能設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度分析，此過(guò)程往往需要不斷迭代才能完成；工程設(shè)計(jì)是進(jìn)行制造工藝驗(yàn)證及發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)驗(yàn)證，并最終確保發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和壽命。發(fā)動(dòng)機(jī)研制流程中的新結(jié)構(gòu)、新材料和新工藝正是創(chuàng)新點(diǎn)所在，這3者通常不是相互獨(dú)立的，設(shè)計(jì)過(guò)程中需要系統(tǒng)地考慮3個(gè)方面的內(nèi)容，形成發(fā)動(dòng)機(jī)“結(jié)構(gòu)-材料-工藝”一體化系統(tǒng)工程。

圖13 發(fā)動(dòng)機(jī)研制流程

5 結(jié)論與建議

由于發(fā)動(dòng)機(jī)子系統(tǒng)眾多，除了主要的旋轉(zhuǎn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)部件和主要承載部件，還包括冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)等子系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)加工工藝要求較高，對(duì)設(shè)計(jì)能力提出了很高的要求，而這種能力需要完善的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)體系作為支撐。發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化是1個(gè)系統(tǒng)工程，涉及到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料、工藝等多個(gè)方面，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是主導(dǎo)，材料應(yīng)用是支撐，制造工藝是保障，需要更好的把新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)，進(jìn)行集成化、系統(tǒng)化的應(yīng)用。

發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化新材料的使用是基于性能、環(huán)保、安全、成本等多種因素平衡的結(jié)果，材料多樣性可以說(shuō)是發(fā)動(dòng)機(jī)材料選用的基本原則。高強(qiáng)鋼、鋁合金、鎂合金、復(fù)合材料等汽車(chē)輕量化材料特性不同，用途不同。考慮用鋁鎂合金材料替代鑄鐵材料，結(jié)合結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)，更輕，鋁合金的典型應(yīng)用有缸體、缸蓋、活塞、油底殼等零部件，鎂合金主要應(yīng)用于殼體類(lèi)零件。高強(qiáng)度鋼的工藝成熟，成本優(yōu)勢(shì)明顯，但是減重效果不如鎂鋁材料，主要應(yīng)用于齒軸類(lèi)零件。塑料制品重量輕、加工性能良好，但承載力、力學(xué)性能等與鋼相比仍有差距，目前僅用于一些非承載零件，例如進(jìn)氣歧管、凸輪軸罩蓋等。

在當(dāng)前節(jié)能減排的大背景下，油耗及排放法規(guī)日益嚴(yán)苛，對(duì)汽油機(jī)的要求越來(lái)越高，熱效率的提升也愈發(fā)困難，而通過(guò)輕量化來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力、油耗等層面的性能提升，可實(shí)現(xiàn)的范圍更廣，可能性也更大，輕量化新材料的推動(dòng)勢(shì)在必行。