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1、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋低壓鑄造工藝研究東安汽車(chē)動(dòng)力股份有限公司鑄造公司 朱昱摘要 本文綜合分析了采用低壓鑄造工藝生產(chǎn)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，從低壓鑄造設(shè)備、低壓鑄造模具設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝、低壓鑄造生產(chǎn)中常見(jiàn)的問(wèn)題及對(duì)策等多個(gè)角度，對(duì)低壓鑄造工藝的技術(shù)動(dòng)向以及今后的研究課題提出了自己的見(jiàn)解。關(guān)鍵詞 低壓鑄造 氣缸蓋 模具設(shè)計(jì) 澆注系統(tǒng) 排氣系統(tǒng) 縮松 微量元素 澆冒口1 緒 論隨著汽車(chē)工業(yè)的飛速發(fā)展和現(xiàn)代汽車(chē)制造業(yè)輕量化、節(jié)能環(huán)保要求的不斷提高，鋁合金鑄件在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)鍛鑄件中所占比重日益增大，鋁合金特種成形工藝獲得了較快發(fā)展，其中尤以低壓鑄造工藝的應(yīng)用得到了迅速的普及應(yīng)用與推廣。與其它傳統(tǒng)的鋁合金鑄造

2、工藝相比，低壓鑄造工藝有著十分明顯的優(yōu)勢(shì)。采用設(shè)計(jì)合理的帶有冷卻系統(tǒng)的模具可實(shí)現(xiàn)鑄件的順序凝固，鑄件從底部得到澆注和補(bǔ)縮，因此可以不用冒口，鑄件的工藝出品率高（一般在90%以上），由于在壓力下充型，鑄件組織致密，尺寸精度和表面光潔度很好且可以采用砂芯制造出復(fù)雜的缸體、缸蓋類(lèi)鑄件。低壓鑄造工藝在資源匱乏的日本應(yīng)用十分廣泛，近年來(lái)隨著中國(guó)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展和國(guó)際間技術(shù)合作與交流的增強(qiáng)，我國(guó)如廣汽本田、東風(fēng)日產(chǎn)、一汽豐田、重慶長(zhǎng)安等廠家紛紛引進(jìn)低壓鑄造工藝用于生產(chǎn)氣缸蓋鑄件，產(chǎn)品質(zhì)量良好，目前均已形成了較大規(guī)模。低壓鑄造是液態(tài)金屬在干燥的空氣壓力作用下，沿著升液管由下而上地充填型腔，以形成鑄件的一種方法

3、。由于在整個(gè)鑄造過(guò)程中采用的壓力較低，所以稱(chēng)之為低壓鑄造。金屬液是在外力作用下結(jié)晶凝固，進(jìn)行補(bǔ)縮，它的充型過(guò)程不同于重力鑄造及高壓高速充型鑄造（壓鑄），具有以下獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：（1）液體金屬充型比較平穩(wěn)，速度易控制；（2）鑄件成形性好。在壓力下充型，流動(dòng)性增加，有利于獲得輪廓清晰的鑄件；（3）鑄件組織致密，綜合力學(xué)性能高。對(duì)要求耐壓、防漏的鑄件其效果更好；（4）工藝出品率高。澆注過(guò)程中，壓力卸掉后澆口中未凝固的金屬液回流到保溫爐里再次用于鑄造。本文中并不就一般低壓鑄造原理和技術(shù)進(jìn)行研討，只是根據(jù)幾年來(lái)東安鑄造公司采用低壓鑄造工藝研制生產(chǎn)氣缸蓋鑄件的經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)，參考國(guó)外低壓鑄造設(shè)備和生產(chǎn)工藝實(shí)踐，對(duì)

4、低壓鑄造工藝生產(chǎn)氣缸蓋的若干技術(shù)問(wèn)題予以討論2 低壓鑄造設(shè)備2.1 低壓鑄造機(jī)模具安裝結(jié)構(gòu)為了模具水平開(kāi)模需要，低壓鑄造機(jī)都具有安裝在定模板上的四方向水平芯缸，與上模動(dòng)模板及模具安裝板形成六方向開(kāi)模。由于氣缸蓋類(lèi)鑄件結(jié)構(gòu)特殊，常常有難以出模的火花塞孔、排氣孔等結(jié)構(gòu)，這些部位因厚大致使熱節(jié)十分集中，生產(chǎn)過(guò)程中廢品率極高。為解決這一問(wèn)題，許多廠家采用模具上加裝水冷油缸斜抽芯或油缸驅(qū)動(dòng)齒輪齒條抽斜銷(xiāo)的形式，這就需要低壓鑄造機(jī)上要備有至少1個(gè)液壓接口。2.2 模具快速定位與裝夾由于氣缸蓋結(jié)構(gòu)和鑄造工藝的特殊性，模具重達(dá)1t左右，模具必須充分預(yù)熱、噴涂料、烘烤，模溫高達(dá)300350，因此熱模具快速定位與

5、裝夾固定成為一個(gè)難題。目前國(guó)內(nèi)外的低壓鑄造機(jī)均配有各種形式的模具裝夾小車(chē)，定位和裝夾一付模具在15 min內(nèi)可以完成。2.3 低壓鑄造機(jī)保溫爐的形式與密封目前低壓鑄造機(jī)保溫爐有爐體密封(采用整體打結(jié)爐襯)和坩堝密封兩種形式。前者由于采用打結(jié)爐襯可防止鋁合金增鐵，且不必頻繁清理、噴刷涂料，優(yōu)化了生產(chǎn)條件，但爐膛內(nèi)空間較大，要有相應(yīng)液面加壓補(bǔ)償裝置。采用坩堝密封則要用鑄鐵或鑄鋼坩堝，長(zhǎng)時(shí)間保溫容易造成鋁合金增鐵，且每個(gè)班次都要清理和更換坩堝。國(guó)外低壓保溫爐的爐蓋、加熱器和爐門(mén)多采用石墨陶瓷盤(pán)根或耐高溫陶瓷纖維繩密封，有標(biāo)準(zhǔn)的密封槽，密封良好，可以不開(kāi)大蓋，在專(zhuān)用加料口增補(bǔ)鋁水。2.4 液面加壓控制

6、系統(tǒng) 圖圖2 低壓鑄造機(jī)的液面加壓控制系統(tǒng)1程序控制器 2信號(hào)放大器 3干燥空氣源 4壓力表 5壓力開(kāi)關(guān) 6電控比例閥7排氣減壓閥 8（爐內(nèi)）排氣系統(tǒng) 9手動(dòng)閥 10保溫爐 11模具液面加壓控制系統(tǒng)決定著低壓鑄造機(jī)的先進(jìn)性。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于保溫爐密封不嚴(yán)造成漏氣；工廠中供氣系統(tǒng)負(fù)荷的變化，空氣壓力的波動(dòng)；生產(chǎn)進(jìn)行中液面的下降等，要求該系統(tǒng)應(yīng)具有壓力自動(dòng)監(jiān)控和自動(dòng)補(bǔ)償功能，消除外界因素的干擾，以達(dá)到跟蹤合理的加壓工藝參數(shù)的能力，因此，液面加壓控制系統(tǒng)成為降低廢品率的關(guān)鍵，是一個(gè)最主要的環(huán)節(jié)。目前國(guó)外如日本福助、ISUZU、德國(guó)GIMA、KURTZ等先進(jìn)的低壓鑄造機(jī)液面加壓控制系統(tǒng)均有以下先進(jìn)功

7、能：能以曲線和圖形適時(shí)顯示各種工藝參數(shù)和工藝過(guò)程；能記錄、監(jiān)視、診斷、檢查，還能保證工藝參數(shù)的重復(fù)再現(xiàn)性；（3）具有壓力自動(dòng)監(jiān)控和補(bǔ)償功能，補(bǔ)償范圍為爐內(nèi)液面波動(dòng)、爐子氣壓泄漏和管道氣壓波動(dòng)等的影響。（4）加壓壓力控制采用電空比例閥控制，控制精度0.5KPa，響應(yīng)時(shí)間1ms。目前國(guó)內(nèi)低壓鑄造機(jī)的液面加壓裝置有很多種，但設(shè)計(jì)的各種加壓方案(曲線)只能在控制臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，壓縮空氣被引入保溫爐或坩堝內(nèi)就完全不是預(yù)先設(shè)計(jì)的加壓曲線了，鋁合金液體也不能按原來(lái)設(shè)想升液、充型和增壓、保壓，最主要原因在于：穩(wěn)壓閥和大流量減壓閥流量不足；管路阻力較大； 保溫爐內(nèi)空間容積較大。2.5 低壓鑄造機(jī)的升液管和澆口保溫套低

8、壓鑄造機(jī)升液管價(jià)廉物美的應(yīng)數(shù)球鐵升液管。在球鐵升液管內(nèi)外噴涂料，每班更換一次，壽命比鋼質(zhì)升液管好，目前在國(guó)內(nèi)許多大型鋁輪轂廠均有應(yīng)用，但其壽命短、更換繁瑣，缺點(diǎn)較為突出。升液管使用耐火陶瓷材料作成陶瓷升液管,具有使用壽命長(zhǎng)、防止增鐵等優(yōu)點(diǎn),但高昂的價(jià)格影響了它的應(yīng)用和普及，多從國(guó)外進(jìn)口。為了精確控制澆口部位的溫度，在升液管與模具之間增設(shè)一個(gè)中間升液管（喉管），采用鑄鐵材料作成，內(nèi)襯硅酸鈣板等保溫隔熱材料，頂部?jī)?nèi)置高溫電加熱器替代電阻絲和燃汽預(yù)熱裝置，可根據(jù)設(shè)定值自動(dòng)控制加熱溫度，使保溫套加熱溫度可穩(wěn)定在550600，且壽命可達(dá)500h以上。2.6 壓縮空氣凈化系統(tǒng)低壓鑄造的澆注及模具冷卻過(guò)程均

9、要依靠壓縮空氣完成，而熔融的鋁合金液極易與水份、油發(fā)生反應(yīng)，形成氫溶于合金液中，造成合金含氣量嚴(yán)重超標(biāo)，因此氣體干燥過(guò)濾裝置和儲(chǔ)氣罐是絕對(duì)必要的，一些廠家忽視氣體干燥，引起鑄件針孔度升級(jí)，力學(xué)性能下降，且使液面加壓裝置中的澆鑄閥、換向閥生銹，發(fā)生設(shè)備故障。根據(jù)多年的低壓鑄造實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，鋁合金低壓鑄造工藝對(duì)壓縮空氣的質(zhì)量要求如下： 表1 低壓鑄造工藝對(duì)壓縮空氣的質(zhì)量要求壓縮空氣雜質(zhì)級(jí)別（ISO8573）雜質(zhì)含量要求設(shè)備配置水份2壓力露點(diǎn)40C，含量0.11g/m3微加熱吸附式干燥器油510mg/m3(8ppm)LNB精密除油過(guò)濾器（過(guò)濾精度可達(dá)0.4mg/m3）灰塵455%，即使加入潮濕、不潔的爐

10、料也不會(huì)影響合金液的熔煉質(zhì)量，安全性高，熔化過(guò)程中合金的燒損僅在（0.51.5）%，鋁水出爐溫度為（740C5）C。4.4.2 精煉工藝電加熱石墨坩堝轉(zhuǎn)水保溫爐或燃汽預(yù)熱轉(zhuǎn)水包內(nèi)精煉處理，鋁液精煉保溫溫度為（7205），在此溫度下進(jìn)行除渣、除氣。采用FOSECO公司FDU旋轉(zhuǎn)除氣裝置，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速300350rpm，氬氣純度為99.60%，壓力0.3MPa，流量1520L/min，除氣時(shí)間設(shè)定為10分鐘，現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)合格（含氫量0.2ml/100g，含渣量K1/20）后轉(zhuǎn)入低壓鑄造機(jī)的保溫爐里。4.4.3 合金的金相組織AC4B合金為亞共晶型鋁硅系合金，含硅量為(710)%，顯微組織為a相共晶硅，由于

11、未進(jìn)行變質(zhì)，共晶硅呈短桿狀或針狀，由于合金含硅量較高，又加入了微量的Ti、Mn，使得合金的鑄造性能和高溫性能優(yōu)良，氣密性、耐蝕性也較好，適合于砂型及金屬型鑄造。目前在氣缸蓋低壓鑄造工藝生產(chǎn)中多采用AC4B合金，無(wú)需進(jìn)行變質(zhì)處理即可獲得優(yōu)良的機(jī)械性能和高品質(zhì)的鑄件。圖7 AC4B合金顯微金相組織 100X4.4.4合金的凝固區(qū)間對(duì)于AC4B合金，其凝固范圍為（516604）C。在604C合金中的鋁開(kāi)始凝固，565CAl-Si共晶相出現(xiàn)并凝固，545C出現(xiàn)Al-Si-Cu三維共晶，516C出現(xiàn)不純物等多元共晶。掌握好氣缸蓋鑄造凝固過(guò)程中鋁合金的溫度變化，可優(yōu)化模具鑄造方案，確保鑄件從凸輪軸室向澆口

12、方向順序凝固，提高鑄件品質(zhì)。5 低壓鑄造生產(chǎn)中常見(jiàn)的問(wèn)題及對(duì)策5.1 澆口折斷防止方法：保持澆口襯套的高溫（Min.450）；不應(yīng)將加壓結(jié)束后的冷卻（排氣）時(shí)間隨意加長(zhǎng)。為了保持澆口襯套部位的溫度，盡量應(yīng)縮短鑄件取出搬運(yùn)、模具吹掃及下芯時(shí)間并保持穩(wěn)定（目標(biāo)時(shí)間max.120sec）。在剛開(kāi)始投產(chǎn)時(shí)，澆口部位極易發(fā)生型腔堵塞、澆口斷裂現(xiàn)象，因此特別要注意在澆注的前13件設(shè)置澆注參數(shù)為“冷?！睜顟B(tài)，不要設(shè)置過(guò)濾網(wǎng)。5.2 縮孔防止方法：鑄造作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化，根據(jù)溫度進(jìn)行加壓、凝固條件的自動(dòng)設(shè)定，鑄造條件的穩(wěn)定；根據(jù)澆口、給湯管面積的擴(kuò)大增加熱量，根據(jù)上型冷卻增加溫差坡度，緩和壁厚急變（加圓角、增加對(duì)下

13、型的壁厚）5.3 升液管開(kāi)裂（漏氣）判斷方法：因升液管放置在保溫爐內(nèi)，無(wú)法觀察，只能靠經(jīng)驗(yàn)加以判斷，如根據(jù)鑄件的成型缺陷進(jìn)行分析，具體方法為：當(dāng)模具溫度、鋁液溫度都足夠高的情況下，鑄件還是出現(xiàn)澆不足缺陷。這是由于升液管漏氣，使正常的模具排氣塞無(wú)法排除來(lái)自爐內(nèi)的氣體，造成型腔充氣，而鋁水無(wú)法充滿；澆口處有嚴(yán)重的氧化夾雜物或出現(xiàn)不飽滿的現(xiàn)象，這是由于高溫狀態(tài)下的空氣和液態(tài)金屬長(zhǎng)時(shí)間的混合流動(dòng)造成的。防止方法：定期清理升液管表面氧化渣、噴刷涂料，噴刷時(shí)力求均勻；清理中仔細(xì)檢查升液管是否有裂紋存在。5.4 流動(dòng)性不良防止方法：保持適宜的合金澆注溫度；提高模具上型溫度； 檢查控制面板的加壓曲線是否有異常

14、；確認(rèn)模具排氣塞、氣道的暢通；確認(rèn)澆口部位無(wú)鋁氧化物的殘留，氧化物多的時(shí)候，用鋼棒等清除澆口內(nèi)壁，并涂刷耐高溫涂料；確認(rèn)模具型腔涂層是否損傷或脫落，可再次進(jìn)行補(bǔ)噴。5.5 鑄件出型困難（升液管內(nèi)部分金屬液凝固）形成原因：由于保壓時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、模具溫度太低、鋁液溫度太低造成的，一般易在首件生產(chǎn)中發(fā)生。防止方法：剛開(kāi)始生產(chǎn)時(shí)，由于模具溫度不均勻且偏低，保壓時(shí)間應(yīng)盡量縮短，寧可讓鑄件內(nèi)的部分金屬倒流回保溫爐中，一般生產(chǎn)34件后，模具溫度處于正常。處理辦法：立即停機(jī)，卸下模具，盡快打開(kāi)模具取出鑄件（可以采用液壓千斤頂或氣焊槍等工具），將模具清理干凈，恢復(fù)正常生產(chǎn)。6 低壓鑄造工藝的技術(shù)動(dòng)向及今后的課題低壓

15、鑄造法從被大量使用以來(lái)已有30多年了，現(xiàn)在已確立了生產(chǎn)鋁合金鑄件的重要工藝方法之一的地位。特別是在氣缸蓋的鑄造生產(chǎn)中的作用巨大，今后低壓鑄造仍會(huì)是氣缸蓋的主流鑄造工藝方法之一。從空冷小型發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸蓋開(kāi)始，到水冷化、多氣缸化、功能的擴(kuò)大、DOHC化和材料重量的增加，并且氣缸蓋的形狀和結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，鑄件壁厚變化也在加大，鑄造的難度也隨之增加，同時(shí)為了降低成本提高生產(chǎn)效率，國(guó)外許多高水平的鑄造廠已實(shí)現(xiàn)了1模2件、更換模具時(shí)工序改進(jìn)、動(dòng)模速度提高和與后處理工序的結(jié)合等，模具冷卻控制和澆注過(guò)程中的加壓控制等技術(shù)也在逐年提高，目前已出現(xiàn)了包括砂芯的搬運(yùn)和組裝在內(nèi)的完全自動(dòng)化低壓鑄造生產(chǎn)線，這同時(shí)也將操

16、作者從高溫作業(yè)中解放出來(lái)，改善了作業(yè)環(huán)境。根據(jù)以上討論的內(nèi)容，我們可以考慮以下氣缸蓋低壓鑄造技術(shù)的課題：提高鑄件強(qiáng)度（如何對(duì)下型進(jìn)行冷卻是重點(diǎn)，但以往的技術(shù)在低壓鑄造中很難應(yīng)用，所以認(rèn)為氣缸蓋更適合采用重力鑄造，目前在歐美國(guó)家氣缸頭的主要鑄造法仍是重力鑄造法，低壓鑄造工藝必須要解決鑄件下型冶金質(zhì)量問(wèn)題）；生產(chǎn)效率的提高（提高控制技術(shù)、后處理線的同步化、全自動(dòng)化生產(chǎn)線的推進(jìn)，考慮到鑄件的高強(qiáng)度化和高生產(chǎn)性化的要求，條件控制會(huì)變得比現(xiàn)在復(fù)雜，因此緊湊的自由度高的生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)可以保持綜合的高水準(zhǔn)鑄造品質(zhì)。）；縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間（需要在設(shè)計(jì)初期階段積極運(yùn)用CAE技術(shù)，進(jìn)行凝固流動(dòng)解析、鑄件應(yīng)力解析，優(yōu)化模具方案）；鑄造操作技能的延續(xù)（模具噴涂、鑄造條件的調(diào)整與控制等的掌握是最緊迫的項(xiàng)目，越是推進(jìn)生產(chǎn)線的自動(dòng)化和無(wú)人化，這個(gè)問(wèn)題越顯得重要。由于低壓鑄造很難定量數(shù)據(jù)化，而且與經(jīng)驗(yàn)有關(guān)的項(xiàng)目較多，所以進(jìn)行專(zhuān)業(yè)化技能培訓(xùn)是很重要的，同時(shí)為了達(dá)到定量化控制而進(jìn)行的低壓鑄造工藝與材料的基礎(chǔ)研究和開(kāi)發(fā)也同樣重要）。11