淺析低壓鑄造鋁合金氣缸蓋試制技術(shù)要求
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作者：張毅
常用的鋁合金氣缸蓋鑄造方法有兩種：金屬型重力鑄造及低壓鑄造。低壓鑄造利用氣體壓力或電磁力將金屬液壓人鑄型，并在一定的壓力下結(jié)晶凝固，大大提高了補(bǔ)縮效果，鑄件的氣密性、耐壓性都得到了提高。低壓鑄造還具有金屬材料利用率高，易實(shí)現(xiàn)高度的機(jī)械化、自動(dòng)化等特點(diǎn)。因此，鋁合金氣缸蓋低壓鑄造工藝應(yīng)用越來越廣泛。
1 低壓鑄造鋁合金氣缸蓋
金屬型低壓鑄造鋁合金氣缸蓋見圖1。
2低壓鑄造鋁合金氣缸蓋工藝性結(jié)構(gòu)
涉及鋁合金氣缸蓋低壓鑄造工藝性的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)主要有：脫型斜度、壁厚、鑄造圓角、加強(qiáng)筋等。
2.1脫型斜度
經(jīng)過生產(chǎn)檢驗(yàn)后的缸蓋鑄件和砂芯的脫型斜度要求：①為提高砂芯的良品率，砂芯薄壁部位的脫型斜度應(yīng)≥1.50；②缸蓋側(cè)面的粗定位基準(zhǔn)（見圖2）要求表面光滑平整，為避免脫型時(shí)將該表面拉毛，粗定位基準(zhǔn)平面脫型斜度應(yīng)≥0.50；③缸蓋表面其他未注的脫型斜度
要求為1.50～2.00。
2.2厚度
缸蓋整體結(jié)構(gòu)上，材料分布要求均勻。經(jīng)過生產(chǎn)檢驗(yàn)后的厚度數(shù)值：①缸蓋的最小壁厚要求≥4 mm。②砂芯的最小壁厚要求≥5 mm。③發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，燃燒室承受高溫高壓氣體的沖擊，為避免燃燒室在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生開裂現(xiàn)象，燃燒室需有合適的壁厚。普通燃燒室壁厚應(yīng)≥6 mm，增壓缸蓋燃燒室壁厚適當(dāng)增加，當(dāng)壁厚增加，仍不能滿足要求時(shí)，考慮采用性能更好的缸蓋材料。④缸蓋毛坯鑄造時(shí)，水套與油室隔板被砂芯包裹，充型凝固條件差，內(nèi)部組織不致密，力學(xué)性能不好。因此水套與油室隔板厚度需充分考慮鑄造及發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)隔板受力等因素。普通缸蓋水套與油室隔板壁厚應(yīng)≥6 mm，增壓缸蓋水套與油室隔板壁厚適當(dāng)增加。
2.3鑄造圓角
缸蓋鑄件上要求鑄造圓角R≥2 mm。
2.4加強(qiáng)筋
為避免缸蓋鑄件上產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷，需要將厚壁處減薄，并設(shè)置加強(qiáng)筋以保證其性能。局部薄弱位置，也需設(shè)置加強(qiáng)筋，見圖3。
2.5其他結(jié)構(gòu)
(1)出砂孔 為提高鑄件的出砂能力，除前、后端面上（有時(shí)僅一個(gè)端面）有水套砂芯的出砂口外，在水油套隔板上最好設(shè)置2～3個(gè)工藝出砂孔。在毛坯澆注時(shí)，工藝出砂孔要有利于水套砂芯的排氣。
(2)定位基準(zhǔn)為便于鑄件檢測(cè)、給機(jī)加預(yù)留粗定位的基準(zhǔn)，缸蓋鑄件上需設(shè)置1個(gè)X基準(zhǔn)、2個(gè)Y基準(zhǔn)、3個(gè)Z基準(zhǔn)。
(3)澆口位置澆口的位置及大小直接關(guān)系到鑄件的充型凝固，因此缸蓋燃燒室面上需預(yù)留有足夠的澆口布置空間。
(4)補(bǔ)縮通道 為避免缸蓋外表面上孤立的柱臺(tái)類結(jié)構(gòu)、缸蓋罩安裝螺栓搭子、凸輪軸座附近產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷，需設(shè)計(jì)補(bǔ)縮通道。
3 鋁合金氣缸蓋低壓鑄造金屬型
良好的低壓鑄造金屬型，在充型時(shí)，在具有好的排氣，凝固時(shí)，還要具有合理的溫度場(chǎng)，以保證金屬液的順序凝固。鋁合金氣缸蓋低壓鑄造金屬型見圖4。
3.1 金屬型材料
低壓鑄造缸蓋金屬型壽命一般要求在10萬件以上，對(duì)材料要求較高，型腔部位大多選用進(jìn)口H13鋼或SKD61鋼等優(yōu)質(zhì)耐熱鋼。對(duì)于產(chǎn)品開發(fā)試制金屬型壽命要求不高，一般在2 000～3 000件即可，因此要求可以相應(yīng)降低，型腔可選擇與H13鋼或SKD61鋼成分相近的國(guó)產(chǎn)材料。
3.2金屬型結(jié)構(gòu)
金屬型正常生產(chǎn)或試制時(shí)，一般在500～700型次后，就要進(jìn)行清理噴涂。為方便操作，金屬型結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單。
根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際總結(jié)出5點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)：①金屬型上的螺栓規(guī)格種類盡量少，避免頻繁更換拆卸工具，應(yīng)選擇高強(qiáng)度螺栓，避免螺栓高溫下產(chǎn)生永久變形，影響拆卸，進(jìn)而影響金屬型的精度；②金屬型上的排氣塞規(guī)格種類盡量少，方便排氣塞的更換；③金屬型上冷卻管路布局合理，冷卻出口盡量布置在同一側(cè)，方便金屬型的翻轉(zhuǎn)；④導(dǎo)柱設(shè)置在上型架，導(dǎo)套設(shè)置在下型架。這樣布置的好處是：當(dāng)采用行車裝合金屬型時(shí)，工人可以站立直觀地查看、調(diào)整導(dǎo)柱與導(dǎo)套的相對(duì)位置；⑤上型與上型架連接螺栓在垂直方向的穿入采用由下至上的方式，方便金屬型上半部翻轉(zhuǎn)平放時(shí)，上型從上型架上拆卸。
3.3定位、限位
因缸蓋的壁厚、形位公差等要求較為嚴(yán)格，故缸蓋低壓鑄造金屬型需設(shè)計(jì)定位、限位系統(tǒng)：砂芯安放、定位裝置（見圖j）與下型設(shè)計(jì)為一個(gè)整體。采用螺栓連接，可能會(huì)因?yàn)槁菟ǖ淖冃巍崤蛎浀�，�?dǎo)致砂芯定位裝置的位置發(fā)生改變�？赏瑫r(shí)利用導(dǎo)套柱、下型架對(duì)側(cè)型進(jìn)行左右方向上的限位。發(fā)生摩擦的接觸面上采用活動(dòng)塊的形式，活動(dòng)塊摩擦損傷后，可以更換。
側(cè)型合型時(shí)，避免靠下型邊界對(duì)側(cè)型限位，因生產(chǎn)時(shí)下型溫度較高，如再長(zhǎng)期接受側(cè)型對(duì)下型的擠壓，易產(chǎn)生變形，引起側(cè)型定位的不精確。在導(dǎo)套柱上設(shè)置限位塊，對(duì)側(cè)型向型腔中心的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行限位，因?qū)字鶞囟认鄬?duì)較低，與下型架的結(jié)合牢固可靠，可承受側(cè)型的擠壓，保證側(cè)型合型時(shí)的精度。
在下型架的4根導(dǎo)套柱上設(shè)計(jì)上型合型限位塊，保證合型后型腔高度，避免壓傷砂芯。通過增厚、減薄限位塊的厚度，還可對(duì)型腔高度進(jìn)行微調(diào)。限位塊變形損壞后還可更換。
4對(duì)導(dǎo)柱、導(dǎo)套設(shè)計(jì)成圓形結(jié)構(gòu)，在澆注機(jī)上，依靠設(shè)備精度的保證，金屬型可以順利的開合型，且能實(shí)現(xiàn)精確的定位，但金屬型拆卸下來后，采用行車開合金屬型時(shí)，很容易發(fā)生導(dǎo)柱卡滯在導(dǎo)套內(nèi)，上下型無法開合的問題。因此，應(yīng)避免將導(dǎo)柱、導(dǎo)套全部設(shè)計(jì)成圓形的結(jié)構(gòu)。
3.4排氣
當(dāng)鋁液自下而上升液、充型時(shí)，大量熱空氣需要通過金屬型排氣系統(tǒng)排出，排氣如不通暢，充型過程中引起“背壓”，最終導(dǎo)致澆不足及氣孔缺陷。除金屬型分型面間隙、合適的金屬型型腔表面噴涂外，下述排氣方式也需在金屬型設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮。
鑄件上的凸臺(tái)、加強(qiáng)筋或其他形狀不規(guī)則的凸出物，在金屬型上對(duì)應(yīng)位置則為深腔，如沒有排氣措施，充型時(shí)氣體將無法排除。對(duì)于凸臺(tái)、厚大的加強(qiáng)筋，可在相應(yīng)位置設(shè)計(jì)排氣塞；對(duì)于細(xì)長(zhǎng)、璧薄的加強(qiáng)筋，可在金屬型的深腔處設(shè)置排氣孔；對(duì)于形狀不規(guī)則的凸出物，可將金屬型的相應(yīng)部位設(shè)計(jì)為活塊的形式，利用活塊與金屬型本體之間的間隙排氣。
為進(jìn)一步保證型腔中氣體能夠順利排出，可以在金屬型型腔表面上設(shè)排氣槽（見圖6）。當(dāng)頂桿位置有大量氣體需要排出時(shí)，還需在頂桿的前端設(shè)排氣槽。
對(duì)于形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成型性不好的缸蓋，當(dāng)上型已設(shè)置有大量排氣通道，但仍無法解決上型憋氣問題時(shí)，可將上型做成拼塊或鑲嵌式的結(jié)構(gòu)，結(jié)合部位留0.2mm以下的縫隙以利于排氣。
充型時(shí)，砂芯被高溫鋁液包裹，迅速產(chǎn)生大量的揮發(fā)氣體，一部分揮發(fā)氣體隨鋁液繼續(xù)向上并排出，另一部分揮發(fā)氣體則需要通過砂芯芯頭排出，因此，需要在與砂芯芯頭接觸的金屬型對(duì)應(yīng)位置處設(shè)計(jì)空腔或安裝排氣塞（見圖7）。
3.5凝固
缸蓋低壓鑄造時(shí)，缸蓋自上而下凝固，通過澆口對(duì)鑄件進(jìn)行補(bǔ)縮，因此合適的澆口對(duì)鑄件的凝固至關(guān)重要。缸蓋低壓鑄造一般設(shè)置2個(gè)或4個(gè)澆口，澆口的截面一般做成圓形，以減少澆注系統(tǒng)的熱損失，保持澆口內(nèi)的合金較長(zhǎng)時(shí)間處于液態(tài)，提高補(bǔ)縮效率。但部分缸蓋因受燃油室面形狀的限制，須將澆口的截面設(shè)計(jì)為不規(guī)則的形狀，此時(shí)澆口熱損失比圓形大，澆口最小截面積最好應(yīng)是澆口附近產(chǎn)品壁厚的2倍以上。
當(dāng)采用各種方法確定了澆口數(shù)量、形狀、大小后，還需通過仿真軟件模擬分析，預(yù)測(cè)鑄件內(nèi)部縮孔、縮松情況，確保澆口方案的合理。
采用測(cè)溫?zé)犭娕�，�?duì)缸蓋生產(chǎn)的重要部位進(jìn)行監(jiān)控，如上型中部、側(cè)型、下型、燃燒室、澆口附近。理想的金屬型溫度分布是從澆口到上型逐漸降低，金屬型各部分具體溫度控制范圍：上型310～350℃，側(cè)型360～400℃，下型420～460℃，澆口附近480～520℃。溫度過低會(huì)造成鋁液充型能力下降，鑄件良品率低；溫度過高會(huì)延長(zhǎng)鑄件凝固時(shí)間，控制不好還會(huì)造成鑄件澆口折斷、熱縮等。
為獲得上述的溫度場(chǎng)并提高鑄件良品率及生產(chǎn)節(jié)拍，需要在金屬型上設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)，對(duì)金屬型進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。冷卻位置一般有火花塞型芯、上型、側(cè)型、下型、燃燒室等。冷卻方式主要有氣冷、水冷，試制階段，因缺乏經(jīng)驗(yàn)，一般較常采用氣冷方式。
需注意的細(xì)節(jié)：①利用金屬型的壁厚變化，調(diào)整鑄型的蓄熱能力，控制鑄件凝固過程，從而有效實(shí)現(xiàn)自上而下的順序凝固，金屬型設(shè)計(jì)時(shí)，將上部壁厚減薄，加快熱量散失，縮短鑄件上部的凝固時(shí)間，下部壁厚增厚，減慢熱量散失，延長(zhǎng)鑄件下部的凝固時(shí)間。②火花塞型芯需要設(shè)計(jì)冷卻通道進(jìn)行冷卻。根據(jù)缸蓋鑄件的凝固特點(diǎn)，中間兩缸火花塞處的熱量大，需要的冷卻強(qiáng)度大．兩邊兩缸火花塞處熱量較小，需要的冷卻強(qiáng)度較小。如因冷卻接頭的限制，需要將冷卻通道進(jìn)行合并時(shí)，應(yīng)將中間兩缸設(shè)計(jì)為一組，另外兩缸為一組。燃燒室處的熱量分布與火花塞型芯處的相似，冷卻通道的設(shè)計(jì)與上相同。③對(duì)于鑄件凝固過程中，出現(xiàn)的孤立液相區(qū)，可強(qiáng)制對(duì)其進(jìn)行點(diǎn)冷。在不影響產(chǎn)品性能的前提下，修改產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)。
3.6燃燒室、滑塊
缸蓋鑄件在熱處理后，容易發(fā)生翹曲變形。在Z軸方向上，燃燒室面可能變成拱形或凹形，1、4缸燃燒室（見圖8）相對(duì)于2、3缸燃燒室的高度可能上升或下降，機(jī)加工后，1、4缸燃燒室容積相比于2、3缸蓋燃燒室容積較大或較小。為了達(dá)到各缸容積均勻，可以在設(shè)計(jì)制造時(shí)，改變各燃燒室型芯相對(duì)于下型平面的高度，實(shí)現(xiàn)反變形。
側(cè)型與下型之間的滑塊，采用鑲塊方式。當(dāng)滑塊損壞時(shí)，可以更換。同時(shí)滑塊上銑出斜的凹槽，避免浮砂對(duì)滑塊的損傷。側(cè)型拉出后，側(cè)型與下型之間應(yīng)有足夠的空隙，方便殘砂、浮砂的排除。
4 低壓鑄造過程及工藝
4.1砂芯試制
低壓鑄造常用的制芯方法有冷芯盒、熱芯盒等。其中，覆膜砂熱芯盒制芯工藝有如下要求：①覆膜砂來料主要控制覆膜砂的粒度、灼減量、常溫抗彎強(qiáng)度、熱抗彎強(qiáng)度、流動(dòng)性、發(fā)氣量等。②制芯過程中．控制金屬型噴涂、金屬型溫度、燒結(jié)時(shí)間、射芯壓力、射芯時(shí)間，金屬型噴涂每5～20 min進(jìn)行一次，金屬型溫度一般為210～290℃，燒結(jié)時(shí)間為45～130 s，射芯壓力為0.2～0.5M Pa，射芯時(shí)間為3～8 s。③砂芯的外表面應(yīng)光潔、平整，無飛邊、無裂紋，無填充不良之處。砂芯燒結(jié)后，表面呈現(xiàn)黃褐色。砂芯的內(nèi)部無燒結(jié)不均勻的現(xiàn)象，燒結(jié)厚度一般控制在5 mm左右。④制作完成后的砂芯存放時(shí)間不宜過長(zhǎng)，盡量不要超過兩天。
4.2澆注
鋁合金氣缸蓋低壓鑄造澆注系統(tǒng)見圖9。
要求：①試制生產(chǎn)前，需要對(duì)金屬型進(jìn)行一次全面的清理、噴涂，去除表面殘留的涂料、鋁屑，在金屬型型腔表面生成均勻的涂層。金屬型噴涂前，金屬型預(yù)熱溫度范圍為250～400℃。根據(jù)缸蓋在金屬型型腔內(nèi)的凝固特點(diǎn)，一般情況下，加工基準(zhǔn)面、燃燒室型腔表面僅噴涂粒子較小的潤(rùn)滑涂料，涂層厚度≤0.2 mm，其他型腔表面噴涂保溫涂料及潤(rùn)滑涂料，涂層厚度≤0.3 mm。在金屬型清理、噴涂的同時(shí)，還需對(duì)澆口杯、升液箱、升液管進(jìn)行清理、涂刷涂料。②澆注開始前，逐項(xiàng)檢查金屬型裝配、定位、冷卻管路、熱電偶及液壓管路連接是否正確，設(shè)備狀態(tài)，如保溫爐壓縮氣壓力是否正常。③設(shè)定低壓鑄造壓力一時(shí)間曲線（見圖10），一般包括升液、充型、結(jié)殼、增壓、保壓、卸壓等幾個(gè)階段。升液階段要求鋁合金液平穩(wěn)上升至鑄型澆道處，合金液在升液管內(nèi)的上升速度盡可能緩慢，以便于氣體的排除及避免金屬液進(jìn)入澆口時(shí)產(chǎn)生噴濺，升液階段的時(shí)間約為10 s，升液壓力一般為10～13 k Pa。充型階段的時(shí)間可取17～25 s，充型壓力根據(jù)鑄件頂面到液面的距離，一般取25～30 k Pa。結(jié)殼時(shí)間為15～30 s。保壓階段壓力越大，補(bǔ)縮效果越好，鑄件組織愈致密，但不宜過大，如過大將產(chǎn)生鑄件粘砂、增大飛邊毛刺等缺陷；保壓壓力一般為充型壓力的1. 1～1.5倍，可控制在30～35 k Pa之間。為獲得合格的鑄件，保壓時(shí)間也應(yīng)合理控制，保壓時(shí)間過長(zhǎng)，使生產(chǎn)周期延長(zhǎng)，生產(chǎn)率下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使升液箱上部“凍死”，使鑄件出型困難，增加清理工作量；保壓時(shí)間不足，易出現(xiàn)縮孔、縮松，嚴(yán)重時(shí)澆口部位的鋁水會(huì)倒流，造成鑄件“中空”報(bào)廢；保壓時(shí)間約為250～300s。④設(shè)定金屬型的開合型順序，并對(duì)金屬型、升液箱進(jìn)行預(yù)熱，當(dāng)同時(shí)達(dá)到金屬型加熱時(shí)間至少1 h，升液箱溫度400℃以上，鋁合金液溫度在690～720℃時(shí)，才可進(jìn)行澆注。⑤正式澆注時(shí)前2～4件作為工藝報(bào)廢產(chǎn)品，工藝報(bào)廢產(chǎn)品澆注時(shí)不放置金屬過濾網(wǎng)，工藝報(bào)廢產(chǎn)品的加壓時(shí)間及冷卻時(shí)間均比正常生產(chǎn)時(shí)的時(shí)間要短：正式澆注的產(chǎn)品，均需檢查外觀，檢查鑄件是否有充填不良、無砂芯折斷、夾砂、孔洞等缺陷，檢查頂桿位置是否有凸出或凹陷，毛刺是否在要求的范圍內(nèi)。
5 結(jié) 語
(1)針對(duì)缸蓋結(jié)構(gòu)，除脫模斜度、壁厚、鑄造圓角、加強(qiáng)筋等需滿足技術(shù)要求外，還需通過模擬分析，消除鑄件熱節(jié)。為減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，需減小螺栓、排氣塞的規(guī)格，方便金屬型拆卸：憑借下型架、導(dǎo)套柱對(duì)側(cè)型、上型進(jìn)行定位、限位，提高金屬型精度；設(shè)計(jì)排氣塞、排氣孔、排氣槽等，保持金屬型排氣系統(tǒng)通暢；調(diào)適金屬 型的溫度分布、壁厚、冷卻通道等，實(shí)現(xiàn)順序凝固。
(2)控制砂芯的燒結(jié)、存放時(shí)間，減少砂芯在澆注過程中的發(fā)氣；控制鋁合金液的密度、化學(xué)成分，確保鋁合金液的綜合質(zhì)量；合理設(shè)計(jì)缸蓋的澆注工藝參數(shù)。
6 摘要試制低壓鑄造鋁合金氣缸蓋時(shí)，重點(diǎn)是對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，優(yōu)化金屬型設(shè)計(jì)，保證鋁合金液的綜合質(zhì)量，確定最佳澆注工藝參數(shù)。針對(duì)缸蓋結(jié)構(gòu)，除脫型斜度、壁厚、鑄造圓角、加強(qiáng)筋等需滿足技術(shù)要求外，還需消除鑄件熱節(jié)，方便金屬型拆卸，提高其精度，保持其排氣系統(tǒng)通暢，實(shí)現(xiàn)缸蓋的順序凝固。
