陶瓷镶块与铝合金全包容压铸连接的应力分析及结构优化

    一、前言

    陶瓷材料作为机械结构部件已受广泛重视，汽车零件也逐渐开始采用精细陶瓷材料川〔’)。与金属相比，陶瓷材料具有耐热、绝缘、重量轻、耐磨损等优良性能。但陶瓷存在着塑性差、难加工、强度分散、抗热震性差、不易焊接等缺点。对干形状复杂的构件和大型构件来说，采用单一的陶瓷材料结构，制造成本高，而且质量难以保证。若与金属制成复合构件来使用，则可降低成本与耗能，而且易于工程化。目前夏利轿车发动机( TJ376Q和TJ370)的配气机构中使用的是锻钢镀硬铬气门摇臂，为了解决其存在的转动惯量大、圆弧面耐磨性差的问题，本课题组运用创造性方法学中的“组合”原理〔3)有针对性地选用铝合金和氮化硅陶瓷这两种具有不同性能特点的材料分别作为摇臂基体和工作圆弧面镶块，充分发挥铝合金的密度小和陶瓷材料的高耐磨性的优点，从而达到提高产品综合性能，降低制造成本的目的。

    如何将氮化硅陶瓷镶块与摇臂铝合金基体有效的连接起来，是陶瓷摇臂设计制造中的关键技术。陶瓷和金属是两类性质不同的材料，要使它们紧密地连接成一体，必须采用有效的连接工艺，同时为实现批量化生产，除保证连接可靠性外，还必须考虑连接的成本、效率等。目前常用的金属与陶瓷的连接方法包括机械连接、粘接连接和焊接连接等，但从接合强度、气密性、使用场合、工艺成本和工艺效率等方法综合考虑都不十分理想，本文采用铝合金压铸包容的方法将陶瓷镶块与铝合金基本连接起来。当铝合金压铸时，陶瓷镶块要经历常温一急速加温一逐渐冷却的温度变化过程，其内部将产生热应力。为了保证陶瓷镶块在压铸过程中不因过大的热应力而导致破碎，必须对陶瓷镶块在压铸过程中的受力情况进行分析，并采用保证连接强度的合理结构。

    二、陶瓷镶块的结构设计和压铸中的热应力分析

    陶瓷材料为脆性材料，其抗弯强度比金属要低得多，对应力集中非常敏感，因此在设计陶瓷镶块时，应尽可能的减小应力集中，提高陶瓷镶块的强度。陶瓷镶块的结构设计需要全面兼顾以下三点:一是要能够保证陶瓷镶块与铝合金基体之间的联接强度和可靠性;二是要适合于大批量生产，具有良好的可制造性;三是要具有较低的成本;310

    1.陶瓷镶块的结构设计

    陶瓷镶块的设计需要综合考虑到镶块的毛坯制备、可加工性以及压铸模具中的定位及成本问题。陶瓷镶块结构如图2所示。镶块的宽度为14mm。经多次压铸试验，并用有限元分析计算镶块与基体间结合部位在压铸过程中的应力状态，基本结构为: