5汽車發(fā)動機(jī)氣缸蓋低壓鑄造工藝研究

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1、汽車發(fā)動機(jī)氣缸蓋低壓鑄造工藝研究 東安汽車動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)汽車發(fā)動機(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、生產(chǎn)工藝、低壓鑄造生產(chǎn)中常見的問題及對策等多個角度，對低壓鑄造工藝的技術(shù)動向以及今后的研究課題提出了自己的見解。 關(guān)鍵詞 低壓鑄造 氣缸蓋 模具設(shè)計 澆注系統(tǒng) 排氣系統(tǒng) 縮松 微量元素 澆冒口 1 緒 論 隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展和現(xiàn)代汽車制造業(yè)輕量化、節(jié)能環(huán)保要求的不斷提高，鋁合金鑄件在汽車發(fā)動機(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

2、應(yīng)用與推廣。與其它傳統(tǒng)的鋁合金鑄造工藝相比，低壓鑄造工藝有著十分明顯的優(yōu)勢。采用設(shè)計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，近年來隨著中國汽車工業(yè)的發(fā)展和國際間技術(shù)合作與交流的增強(qiáng)，我國如廣汽本田、東風(fēng)日產(chǎn)、一汽豐田、重慶長安等廠家紛紛引進(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

3、下而上地充填型腔，以形成鑄件的一種方法。由于在整個鑄造過程中采用的壓力較低，所以稱之為低壓鑄造。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。對要求耐壓、防漏的鑄件其效果更好； （4）工藝出品率高。澆注過程中，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)幾年來東安鑄造公司采用低壓鑄造工藝研制生產(chǎn)氣缸

4、蓋鑄件的經(jīng)驗和體會，參考國外低壓鑄造設(shè)備和生產(chǎn)工藝實(shí)踐，對低壓鑄造工藝生產(chǎn)氣缸蓋的若干技術(shù)問題予以討論 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，與上模動模板及模具安裝板形成六方向開模。由于氣缸蓋類鑄件結(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)過程中廢品率極高。為解決這一問題，許多廠家采用模具上加裝水冷油缸斜抽芯或油缸驅(qū)動齒輪齒條抽斜銷的形式，這就需要低壓鑄造機(jī)上要備有至少1個液壓接口。 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

5、達(dá)1t左右，模具必須充分預(yù)熱、噴涂料、烘烤，模溫高達(dá)300～350℃，因此熱模具快速定位與裝夾固定成為一個難題。目前國內(nèi)外的低壓鑄造機(jī)均配有各種形式的模具裝夾小車，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，長時間保溫容易造成鋁合金增鐵，且每個班次都要清理和更換坩堝。國外低壓保溫爐的爐蓋、加熱器和爐門多采用石墨陶瓷盤根或耐高溫

6、陶瓷纖維繩密封，有標(biāo)準(zhǔn)的密封槽，密封良好，可以不開大蓋，在專用加料口增補(bǔ)鋁水。 2.4 液面加壓控制系統(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—信號放大器 3—干燥空氣源 4—壓力表 5—壓力開關(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；生產(chǎn)進(jìn)行中液面的下降等，要求該系統(tǒng)應(yīng)具有壓力自動監(jiān)控和自動補(bǔ)償功能，消除外界因素的干擾，以達(dá)到跟蹤合理的加壓

7、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，是一個最主要的環(huán)節(jié)。目前國外如日本福助、ISUZU、德國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)功能：①能以曲線和圖形適時顯示各種工藝參數(shù)和工藝過程；②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）具有壓力自動監(jiān)控和補(bǔ)償功能，補(bǔ)償范圍為爐內(nèi)液面波動、爐子氣壓泄漏和管道氣壓波動等的影響。（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)時間≤1ms。 目前國內(nèi)低壓鑄造機(jī)的液面加壓裝置有很多種，但設(shè)計的各種加壓方案(曲線)只能在控制臺上實(shí)現(xiàn)，壓縮空氣被引入保溫爐或坩堝內(nèi)就完全不是

8、預(yù)先設(shè)計的加壓曲線了，鋁合金液體也不能按原來設(shè)想升液、充型和增壓、保壓，最主要原因在于：①穩(wěn)壓閥和大流量減壓閥流量不足；②管路阻力較大；③ 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 低壓鑄造機(jī)升液管價廉物美的應(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、防止增鐵等優(yōu)點(diǎn),但高昂的價格影響了它的應(yīng)用和普及，多從國外進(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)一個中間升液管（喉管），采用鑄鐵材料作成，內(nèi)襯硅

9、酸鈣板等保溫隔熱材料，頂部內(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)定值自動控制加熱溫度，使保溫套加熱溫度可穩(wěn)定在550～600℃，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程均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)，因此氣體干燥過濾裝置和儲氣罐是絕對必要的，一些廠家忽視氣體干燥，引起鑄件針孔度升級，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，鋁合金低壓鑄造工藝對壓縮空氣的質(zhì)量要求如下： 表1

10、 低壓鑄造工藝對壓縮空氣的質(zhì)量要求 壓縮空氣雜質(zhì) 級別（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 5 <10mg/m3(8ppm) LNB精密除油過濾器（過濾精度可達(dá)0.4mg/m3） 灰塵 4 <10mg/m3(10m) LJA后置過濾器（過濾精度可達(dá)1mg/m3(1 m) 2.7 低壓鑄造機(jī)的控制系統(tǒng) PLC采用模塊式結(jié)構(gòu)，能自動完成設(shè)備運(yùn)行控制、鑄造工藝過程控制、加熱控制、冷卻控制等，能通過控制壓力、時間、溫度等工藝參數(shù)來完成對整個鑄造過程的控制，確保鑄造生產(chǎn)全過程的工藝條件穩(wěn)

11、定。 3 氣缸蓋低壓鑄造模具設(shè)計 3.1 氣缸蓋鑄件工藝性評審 由于氣缸蓋設(shè)計壁厚控制在(3.5～4.5) mm，低壓鑄造氣缸蓋時合金液總是從鑄件底平面澆口引入，流經(jīng)水套芯和進(jìn)排氣道芯，流向鑄件安裝邊及頂平面，在流動中合金液不斷損失熱量，自然會形成一定溫度梯度，有由遠(yuǎn)及近（向澆口部位）的順序凝固趨勢。但若局部壁厚(加上加工余量)大大超過相鄰部位的壁厚，就不能形成遠(yuǎn)端安裝邊最先凝固、燃燒室底平面再凝固，最后由澆口部位鋁液補(bǔ)縮鑄件的順序凝固方式,極易在熱節(jié)部位形成縮孔、縮松缺陷，造成產(chǎn)品報廢，因此在鑄件工藝性評審和模具設(shè)計過程中要格外注意這一問題，從模具結(jié)構(gòu)、鑄造工藝、局部強(qiáng)制冷卻等方面采取

12、措施予以克服。 3.2 模具的選材和壁厚 氣缸蓋低壓鑄造模具由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本較高，為保證有較長的使用壽命和較小的熱變形量，型面通常采用優(yōu)質(zhì)模具鋼制造（歐美國家采用H13，日本采用SKD61，材質(zhì)與使用壽命基本相當(dāng)），而模具結(jié)構(gòu)件均采用優(yōu)質(zhì)球墨鑄鐵。模具設(shè)計時在四個側(cè)模部位模具壁厚要減薄，以減少模具蓄熱能力，提高該處模溫，以形成順序凝固所需溫度場。 3.3 模具的排氣系統(tǒng)設(shè)計 低壓鑄造時由下至上升液、充型，有利于排氣。好的排氣系統(tǒng)設(shè)計會大大提高鋁液的充型能力，減少充型過程中的“背壓”，提高一次澆注成品率。模具上應(yīng)相應(yīng)設(shè)計各種排氣設(shè)施，如：上型模塊采用分體鑲嵌式結(jié)構(gòu)，結(jié)合部位

13、留有0.1～0.2mm的縫隙以利于排氣；頂桿直徑上留O.1mm間隙，并沿周均勻線切割0.2mm的排氣道；分型面、抽芯滑塊上加工間距5mm、深0.1～O.15 mm的排氣道；砂芯采用殼芯，砂芯定位芯頭的后部應(yīng)做成空腔以加強(qiáng)排氣；局部憋氣的地方設(shè)計可方便拆裝清理的柱狀排氣塞，再噴上適當(dāng)涂料、調(diào)整模溫，可保證鑄件完全充型，不出現(xiàn)氣窩、欠鑄等缺陷。 模具內(nèi)部的空氣、砂芯產(chǎn)生的氣體需要充分考慮分型方法和排氣道，應(yīng)該在盡量減少隨著熔湯充填而產(chǎn)生的背壓的情況下排出去。如果背壓高到影響加壓速度時，會產(chǎn)生熔湯流動不良、表面縮孔等，因此希望控制在0.002Mpa以下。關(guān)于凸臺、加強(qiáng)筋、葉片等形狀的部位，可以考慮

14、嵌入式排氣孔插入模具。在分型面和平面部設(shè)計排氣槽，再加上排氣孔、拉深加工等手段盡量做到排氣良好的設(shè)計。另外砂芯產(chǎn)生的氣體量較大、時間也較長，可以在模具結(jié)構(gòu)上設(shè)計確定的排氣路線，追加吸引機(jī)構(gòu)。 3.4 模具的澆注系統(tǒng)設(shè)計 低壓鑄造的澆冒口設(shè)計相對簡單，由于零件結(jié)構(gòu)和工藝方案所限，一般只能在底部安裝孔位置設(shè)計2～4個澆口，為保證充型澆注效果，在允許的條件下澆口直徑可設(shè)計略大一些，同時可設(shè)計環(huán)形的輔助澆道以分流鋁液。由于澆口部位最后凝固溫度很高，不易脫模，有時甚至?xí)a(chǎn)生澆口折斷，因此澆口的出模斜度應(yīng)設(shè)計為5～7。由于氣缸蓋低壓鑄造多采用單升液管經(jīng)升液箱將鋁液分配至多處澆口的形式，因此升液高度和升

15、液管內(nèi)徑非常重要，升液高度過大、升液管內(nèi)徑過小會造成鋁液充型時流速過高，在澆口處形成“噴濺”，嚴(yán)重影響型腔排氣，造成成品率降低，且會使砂芯過早潰散形成“粘砂”，因此氣缸蓋低壓鑄造升液管內(nèi)徑一般在100～150mm。 低壓鑄造品的設(shè)計基本要求是將壁厚整體平均化，或是將壁厚的分布考慮容易實(shí)現(xiàn)方向性凝固的地方。也就是說對于澆口而言，斷面從小到大逐漸變化是產(chǎn)品設(shè)計的必要條件，因此如果產(chǎn)品的性能上無法進(jìn)行這種設(shè)計時最好避開使用低壓鑄造法。充分考慮鑄件整體的方向性凝固和澆口周圍的冒口效果的澆口位置、大小、數(shù)量的設(shè)定也是非常必要的。澆口的位置應(yīng)該是鑄件整體的最大壁厚部位，并且要設(shè)在從熔湯前方和上方可能達(dá)到

16、方向性凝固的部位。因產(chǎn)品形狀、大小等原因澆口數(shù)量有所差異，但通常是1-4個。在遠(yuǎn)離澆口的位置如果壁較厚冒口無法到達(dá)時，有時也加上無頂冒口。澆注方案上對這些問題進(jìn)行為維持方向性凝固的嚴(yán)格的溫度控制和條件管理等，根據(jù)情況還可以在成為熱點(diǎn)的部位進(jìn)行空氣、水等的冷卻。 澆口部位的截面做成圓形是較理想的，但事實(shí)上由于產(chǎn)品形狀的限制經(jīng)常是不得不做成不規(guī)則的形狀。在這種情況下為了防止該部分的過冷，最小截面積最好應(yīng)是澆口附近產(chǎn)品壁厚的2倍以上。澆口的高度h比較低時可以得到較大的因澆口處熱量提供和加壓而引起的補(bǔ)縮效果，而且也容易實(shí)現(xiàn)方向性凝固，但這是防止氧化物的濾渣網(wǎng)的固定部位，由于因鑄造條件的變動引起澆口長

17、度的變化，因而一般情況下考慮30-40mm較多。 3.5 縮尺與加工余量 縮尺與加工量設(shè)計不當(dāng)不僅造成鑄件肥厚影響機(jī)械加工，更主要會影響鑄件順序凝固次序，造成各種鑄造缺陷。氣缸蓋在全金屬模中低壓鑄造，收縮嚴(yán)重受阻，故縮尺比一般鋁合金金屬型鑄造時要小，尺寸精度較高。根據(jù)氣缸蓋的結(jié)構(gòu)和尺寸不同，縮尺一般為0.6%～0.8%左右。加工余量考慮到氣缸蓋要用數(shù)控機(jī)床加工，加工余量單面不超過2mm，一般1.5～2mm為好。此外還要考慮涂料厚度，留出0.15～0.3mm。 3.6 模具的引導(dǎo)裝置 低壓鑄造模具由于溫度高、尺寸大且動靜模有較大溫度差，動模與靜模之間一般不能使用圓銷，以避免高溫時“咬死”

18、。可設(shè)計方形導(dǎo)柱和開口銷套，銷與銷套材料應(yīng)采用40Cr，以提高耐磨性。 3.7 模具的溫控裝置 低壓鑄造模具應(yīng)設(shè)計有精密的冷卻和加熱裝置，并預(yù)埋熱電偶配合計算機(jī)控制，方可實(shí)現(xiàn)鑄造條件的穩(wěn)定，使鑄件保持高品質(zhì)。低壓鑄造模具通常在上型中部、側(cè)型、下型二三燃燒室之間、澆口附近及升液箱蓋板等五處設(shè)置有測溫?zé)犭娕迹蓪?shí)現(xiàn)對低壓鑄造生產(chǎn)中的重點(diǎn)部位溫度控制。 為了改善內(nèi)部品質(zhì)（強(qiáng)化方向性凝固）、縮短鑄造周期，可以進(jìn)行上型和橫型的冷卻（水冷、風(fēng)冷或霧冷，一般冷卻模具整體的線式冷卻比較多）。開始低壓鑄造作業(yè)初期，由于缺乏經(jīng)驗，只需采用風(fēng)冷，隨著鑄造作業(yè)條件的穩(wěn)定，可逐步進(jìn)行霧冷和水冷的試驗，但在模具準(zhǔn)備

19、過程中要特別注意接口部位的測漏工作。水冷應(yīng)用得好，可大大提高生產(chǎn)效率縮短鑄造周期。 3.7.1 中間升液箱溫度控制 采用自動電加熱控制，第一模澆注時升液箱溫度應(yīng)控制在520℃以上，以后控制在580℃左右時開始下芯作業(yè)，溫度過低時，容易被“凍死”。 3.7.2 澆注溫度的控制 鋁水澆注溫度一般控制在700℃10℃，在不影響鑄件充型的前提下可將澆注溫度適當(dāng)降低，可減少厚大部位縮孔的產(chǎn)生及“粘砂”，縮短鑄造周期。 3.7.3鑄型溫度的控制 低壓缸蓋模具一般在模具上型為35020℃左右，側(cè)型為38020℃左右，下型為44020℃左右，澆口附近為50020℃左右，溫度過低會造成鋁液充型能力下

20、降，成品率低，溫度過高會延長鑄件固化時間，控制不好還會造成鑄件澆口折斷、。 3.7.4鑄件凝固溫度場的計算機(jī)數(shù)值模擬。 目前國內(nèi)外在模具設(shè)計制造過程中應(yīng)用專業(yè)軟件對鑄件充型、凝固過程進(jìn)行數(shù)值模擬，輔助進(jìn)行工藝設(shè)計與優(yōu)化十分普遍，可大大縮短模具開發(fā)定型周期，提高模具制造質(zhì)量，目前國際上應(yīng)用較為廣泛的有美國ProCAST、德國MAGMA 、韓國Anycasting軟件等。 圖3 采用MAGMA軟件對4G1氣缸蓋凝固過程進(jìn)行的數(shù)值模擬與實(shí)際缺陷對比 4 低壓鑄造氣缸蓋的生產(chǎn)工藝 E C D B A O t1

21、 t2 t3 t4 t5 s KPa P3 P2 P1 圖4 澆注工藝曲線 P1—升液壓力 P2—充型壓力 P3—增壓壓力 低壓鑄造生產(chǎn)工藝就是將低壓鑄造機(jī)、模具與合金材料三大要素有機(jī)結(jié)合的過程，這些因素之間關(guān)系密切，且相互影響和相互制約。低壓鑄造的主要工藝參數(shù)有：壓力、時間（速度）、溫度，關(guān)鍵過程有：制芯、模具準(zhǔn)備、合金熔煉、澆注，這些工藝參數(shù)與關(guān)鍵過程的合理控制與管理是保證鑄件質(zhì)量的關(guān)鍵，同時也直接影響生產(chǎn)效率和模具壽命。 4.1 澆注工藝參數(shù)的確定 低壓鑄造的核心在于澆注工藝。根據(jù)缸蓋鑄件的特點(diǎn)，在燃燒室平

22、面開設(shè)2～4個澆口，同時進(jìn)鋁液澆注。在升液管與模具之間增設(shè)一個中間升液管，分配鋁水進(jìn)入澆口。 低壓澆注過程一般包括升液、充型、增壓、保壓、卸壓、冷卻幾個階段。低壓澆注的主要工藝參數(shù)有壓力、溫度和時間，其中壓力是最基本的工藝參數(shù)，對澆注過程及鑄件質(zhì)量的影響最大。低壓鑄造中，如果鑄型內(nèi)排氣順利，則壓力每上升0.001Kg/cm2，升液管內(nèi)的鋁液就上升4mm。經(jīng)過試驗，澆注工藝曲線如圖4所示，工藝參數(shù)見表2。 （1）O-A升液階段——鋁液沿著升液管平穩(wěn)上升到鑄型澆道處。 P1= 液面到中間型腔的高度－50mm 41000 ΔT1由鑄造機(jī)空壓控制輔助閥門的能力

23、決定。（國外低壓鑄造機(jī)保溫爐M/C在0.15Kg/cm2的程度，閥門在最大能力下，ΔT1設(shè)定為約7秒；考慮到①熔液液面高度公差：目測、傳感器中的鋁附著……20 mm；②氣壓控制公差（正常工作時） 切換時間下0.005Kg/cm2=20 mm；③反饋管路中的雜質(zhì)、輔助閥門的不暢通等的影響0.002Kg/cm2=8mm，計算公差設(shè)定為－50 mm）。 （2）A-B充型階段——鋁液由澆道進(jìn)入型腔，將型腔充滿。充型速度過大，加劇紊流，會產(chǎn)生包氣、氧化夾渣，鑄件可能會出現(xiàn)輪廓不清的缺陷；速度過低，影響充填性，會造成澆不足、冷隔等缺陷。 P2=P1+ 50+液面到中間型腔的高度+鑄件高度+200

24、 41000 ΔT2= 7 （P2-P1） 1000 (升壓速度基本定為0.007Kg/cm2/sec) （3）B-C增壓階段——充滿型腔后再繼續(xù)增壓，使鋁液在壓力下結(jié)晶凝固。壓力越大，補(bǔ)縮效果越好，鑄件組織愈致密。但壓力過大，易造成跑火；壓力過小，鑄件可能會有縮孔、縮松、致密度低等缺陷。 增壓壓力 P3 = P2＋5（KPa），增壓時間 △T3 = 5～10( s ) 表2 澆注工藝參數(shù) 參 數(shù) 階 段 時 間 （s） 壓 力 （KPa） 加 壓 速

25、 度 （KPa/s） O—A升液階段 ΔT1 P1 V1 = P1/ΔT1 A—B充型階段 ΔT2 P2 V2 =（P2－P1）/ΔT2 B—C增壓階段 ΔT3 P3 V3 =（P3－P2）/ΔT3 C—D保壓階段 ΔT4 P3 —— D—E冷卻階段 ΔT5 0 —— 表中 ΔT1—升液時間 ΔT2—充型時間 ΔT3—增壓時間 ΔT4—保壓時間 ΔT5—冷卻時間 （4）C-D保壓階段——鋁液在壓力下，完成由液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變,保壓時間過長，使生產(chǎn)周期延長，生產(chǎn)率下降，嚴(yán)重時會使升液管上部“凍死”，使鑄件出型困難，增加清理工作量；保壓時間

26、不足，易出現(xiàn)縮孔、縮松，嚴(yán)重時澆口部位的鋁水會倒流，造成鑄件“中空”報廢。在低壓鑄造中加壓時間為持續(xù)加壓中完成鑄件最終凝固部位的凝固，等到可以取出澆口（凝固90%以上）時，持續(xù)加壓結(jié)束。 保壓時間 △T4 = 180～220 ( s )， 保壓壓力為 P3 （5）D-E卸壓冷卻階段——卸壓指鑄件凝固完成后，立即卸掉液面加壓壓力，使升液管和澆道中尚未凝固的鋁液回落到保溫爐中，排氣時間為待鑄件內(nèi)部鋁液溫度達(dá)到澆口上面560℃、澆口鐵絲網(wǎng)部 590℃時結(jié)束加壓保持，然后排氣。冷卻指壓力卸掉后，鑄件留在模具中的過程。冷卻時間根據(jù)鑄件厚度及重量而定。冷卻時間過短鑄件會變形、開裂。冷卻時間是從卸壓

27、后開始計算。△T5 = t5－t4 = 160 ( s ) （6）安置澆口濾渣網(wǎng) 此工序的目的為了防止從升液管進(jìn)來的氧化物、砂子等雜物以及加強(qiáng)鋁液充型時 的層流化，減少紊流以利于平穩(wěn)充型。把做成澆口形狀的成型鍍鋅鋼絲網(wǎng)（線徑0.4-0.6mm，12-14個網(wǎng)孔）用專用夾具固定在澆口部位，這樣做采用人工安置的比較多，但也可以試一試進(jìn)行自動化設(shè)計或給湯管內(nèi)吹惰性氣體等方法。 4.2 制芯工藝 采用任何常用的制芯工藝如殼芯、冷芯盒、熱芯盒等制造的砂芯都可以用于低壓鑄造。目前國內(nèi)引入日本的生產(chǎn)工藝，多采用覆膜砂熱芯盒工藝制芯，進(jìn)排氣芯采用KC600型全自動垂直分型殼芯機(jī)生產(chǎn)，兩面翻轉(zhuǎn)射砂，模具

28、上裝震動器，可射制壁厚在2～3mm的中空殼芯，水道、油道砂芯形狀復(fù)雜，尺寸較大，厚薄不均，采用KA600型全自動水平分型熱芯盒制芯機(jī)生產(chǎn)，一模兩件。同其它鑄造方法一樣，砂芯必須固化充分，金屬型上有必要的排氣結(jié)構(gòu)，以避免在鑄件里產(chǎn)生氣體方面的鑄造缺陷。對于氣缸蓋類復(fù)雜鑄件通常使用預(yù)組裝的芯組（如圖5）， 可以快速地插放到金屬型內(nèi)，簡化操作，縮短 鑄造周期。 低壓鑄造對于制芯用覆膜砂質(zhì)量要求較高， 既要求有適宜的粒度，又要有較高的熱強(qiáng)度和 較低的發(fā)氣量，需要根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況進(jìn)行摸 索調(diào)整， 圖5 預(yù)組裝的芯組 4.3 模具涂料選擇及噴涂工藝 人們常講 “三分澆注、七分

29、準(zhǔn)備”，對于 低壓鑄造生產(chǎn)而言，由于模具重量大、拆裝困難，要求有較長的連續(xù)生產(chǎn)周期，因而模具涂料的選擇及噴涂工藝的掌握至關(guān)重要。 4.3.1型腔涂料的選擇與噴涂 型腔底層涂料使用日本Acheson 金屬模脫膜劑Prodag（石墨基），澆口和燃燒室使用日本Acheson低壓鑄造涂料Dag 632，型腔充分預(yù)熱至23010℃，取出后在模具保持19010℃時將涂料稀釋后用噴槍均勻噴涂，噴槍距型腔之間一般保持150～200mm。為提高涂層的粘附強(qiáng)度，噴涂完畢后模具須在51010℃保溫1.0～1.5小時。 圖6 低壓鑄造生產(chǎn)中模具噴涂的一般工藝流程 4.3.2升液管涂

30、料的選擇與涂刷 升液管（包括中間升液管）使用日本Acheson涂料Dag696。預(yù)熱至200C左右時，用毛刷均勻涂刷，一般需刷2～3次，每次涂刷完畢后需充分烘烤。 4.3.3 涂料噴涂時模具溫度控制及涂層 模具噴涂時要考慮鑄型的大小或壁厚、溫度分布均勻，充分進(jìn)行預(yù)熱。模具取出后要使用表面溫度計，在鑄型的各個部位測幾次，確認(rèn)鑄型表面溫度是否在20010℃。涂層順序為：①在整個鑄型上薄薄地噴一下底層涂料；②從鑄型的突起部位、薄壁部位等容易冷卻的部位開始再精心噴涂。如果模具溫度低，則噴涂時涂料的水分蒸發(fā)少，導(dǎo)致模具表面潮濕，無法保證粗糙度；如果鑄型表面溫度更低，就出現(xiàn)平滑的涂層，導(dǎo)致模具內(nèi)

31、透氣性差，預(yù)熱時出現(xiàn)涂層膨脹、脫落現(xiàn)象。為防止鑄件局部縮孔、縮裂，可將模具局部涂料刮掉或減薄，加速冷卻。 在噴涂復(fù)雜的模具時，需要熟練地進(jìn)行操作，但為了保持穩(wěn)定的上涂料的效果應(yīng)盡快使操作標(biāo)準(zhǔn)化，涂層厚度粗糙度等因部位不同而存差異。一般而言，工作面是0.1-0.2mm，光潔度要求高的加工基準(zhǔn)面，燃燒室面等應(yīng)用粒子細(xì)小的涂料涂0.05mm的厚度，涂料一般利用市場上的，基本構(gòu)成是骨材（碳酸鈣、陶土、氧化鋁、云母、石墨等）、粘接劑（硅酸鈉）和水等。 4.4 合金熔煉工藝 氣缸蓋低壓鑄造多采用AC4B牌號鋁合金（日本JIS5202技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)）鑄造，材料成份類似于我國ZL106合金，但略有差異。該鋁合

32、金為亞共晶鋁硅系合金，鑄造性能優(yōu)良，綜合力學(xué)性能高，冶金質(zhì)量穩(wěn)定成本較低，經(jīng)（48010）C、1～2小時的熱處理后抗拉強(qiáng)度可達(dá)155 Mpa以上，延伸率達(dá)1.0%以上。 4.4.1 熔化工藝 采用MHII-N-2000/1500型高效燃汽熔鋁爐進(jìn)行合金的集中熔化，該爐為三爐一體ETAmax式結(jié)構(gòu)，LPG加熱系統(tǒng)，預(yù)熱、熔化、保溫區(qū)分別獨(dú)立，效率高，且爐料可利用廢氣充分預(yù)熱，熱效率>55%，即使加入潮濕、不潔的爐料也不會影響合金液的熔煉質(zhì)量，安全性高，熔化過程中合金的燒損僅在（0.5～1.5）%，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)

33、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300～350rpm，氬氣純度為99.60%，壓力0.3MPa，流量15～20L/min，除氣時間設(shè)定為10分鐘，現(xiàn)場檢驗合格（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(7～10)%，顯微組織為a相＋共晶硅，由于未進(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

34、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 100X 4.4.4合金的凝固區(qū)間 對于AC4B合金，其凝固范圍為（516～604）C。在604C合金中的鋁開始凝固，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方向順序凝固，提高鑄件品質(zhì)。 5 低壓鑄造生產(chǎn)中常見的問題及對策 5.1 澆口折斷 防止方法：

35、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）時間隨意加長。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)、模具吹掃及下芯時間并保持穩(wěn)定（目標(biāo)時間max.120sec）。在剛開始投產(chǎn)時，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1～3件設(shè)置澆注參數(shù)為“冷?！睜顟B(tài)，不要設(shè)置過濾網(wǎng)。 5.2 縮孔 防止方法：①鑄造作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化，根據(jù)溫度進(jìn)行加壓、凝固條件的自動設(shè)定，鑄造條件的穩(wěn)定；②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、增加對下型的壁厚） 5.3 升液管開裂（漏氣） 判斷方法：因升液管放置在

36、保溫爐內(nèi)，無法觀察，只能靠經(jīng)驗加以判斷，如根據(jù)鑄件的成型缺陷進(jìn)行分析，具體方法為：①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法排除來自爐內(nèi)的氣體，造成型腔充氣，而鋁水無法充滿；②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)金屬長時間的混合流動造成的。 防止方法：①定期清理升液管表面氧化渣、噴刷涂料，噴刷時力求均勻；②清理中仔細(xì)檢查升液管是否有裂紋存在。 5.4 流動性不良 防止方法：①保持適宜的合金澆注溫度；②提高模具上型溫度； ③檢查控制面板的加壓曲線是否有異常；④確認(rèn)模具排氣塞、氣道的暢通；

37、⑤確認(rèn)澆口部位無鋁氧化物的殘留，氧化物多的時候，用鋼棒等清除澆口內(nèi)壁，并涂刷耐高溫涂料；⑥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：由于保壓時間過長、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：剛開始生產(chǎn)時，由于模具溫度不均勻且偏低，保壓時間應(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)3～4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)動向及今后的課題 低

38、壓鑄造法從被大量使用以來已有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，今后低壓鑄造仍會是氣缸蓋的主流鑄造工藝方法之一。 從空冷小型發(fā)動機(jī)的氣缸蓋開始，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，同時為了降低成本提高生產(chǎn)效率，國外許多高水平的鑄造廠已實(shí)現(xiàn)了1模2件、更換模具時工序改進(jìn)、動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)的完全自動化低壓鑄造生產(chǎn)線，這同時

39、也將操作者從高溫作業(yè)中解放出來，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： ①提高鑄件強(qiáng)度（如何對下型進(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)量問題）； ②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)。）； ③縮短產(chǎn)品開發(fā)時間（需要在設(shè)計初期階段積極運(yùn)用CAE技術(shù)，進(jìn)行凝固流動解析、鑄件應(yīng)力解析，優(yōu)化模具方案）； ④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目，越是推進(jìn)生產(chǎn)線的自動化和無人化，這個問題越顯得重要。由于低壓鑄造很難定量數(shù)據(jù)化，而且與經(jīng)驗有關(guān)的項目較多，所以進(jìn)行專業(yè)化技能培訓(xùn)是很重要的，同時為了達(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)研究和開發(fā)也同樣重要）。 11