原標(biāo)題：缸蓋罩高真空壓鑄工藝與普通排氣塊壓鑄工藝分析

摘要：缸蓋罩外殼作為發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)部件，產(chǎn)品經(jīng)過(guò)幾代的集成和更新后，其壓鑄工藝變得較為復(fù)雜，缺陷種類(lèi)及位置分布也更為分散。為了減少鑄件缺陷，開(kāi)發(fā)前期應(yīng)用數(shù)值模擬，準(zhǔn)確地把握鋁合金液體流動(dòng)充型狀態(tài)與鑄件缺陷的分布，縮短了模具的開(kāi)發(fā)周期。壓鑄開(kāi)發(fā)階段對(duì)一款缸蓋罩殼體零件分別采用高真空壓鑄工藝和普通排氣塊工藝進(jìn)行試生產(chǎn)，通過(guò)對(duì)鑄件質(zhì)量的分析，發(fā)現(xiàn)高真空工藝可以在壓鑄速度與鑄造壓力都較低的情況下獲得合格的鑄件。

鋁合金因其質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、散熱性好、耐腐蝕的特點(diǎn)滿(mǎn)足了發(fā)動(dòng)機(jī)零件中缸蓋罩、鏈條蓋、油底殼等在惡劣環(huán)境下工作的要求,已成為汽車(chē)上應(yīng)用最多的合金材料之一。鋁合金在壓鑄前須凈化、精煉、細(xì)化、變質(zhì)等，使其力學(xué)性能及質(zhì)量達(dá)到一致性和穩(wěn)定性。隨著新型壓鑄技術(shù)和新型壓鑄合金的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，壓鑄件在未來(lái)汽車(chē)的生產(chǎn)中會(huì)有越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。缸蓋罩作為發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要組成部分，經(jīng)過(guò)幾代的集成和更新后，結(jié)構(gòu)和功能越發(fā)強(qiáng)大，產(chǎn)品的壁厚和形狀也變得更復(fù)雜，所以其對(duì)壓鑄工藝要求也越來(lái)越高。

1、缸蓋罩殼體結(jié)構(gòu)及開(kāi)發(fā)技術(shù)要點(diǎn)

缸蓋罩殼體見(jiàn)圖1，其主要的作用為：①提供發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油加油通道，把缸蓋及氣門(mén)機(jī)構(gòu)遮蔽，保證油、氣不泄露；②把潤(rùn)滑油與可燃混合氣分離；③為凸輪軸位置傳感器、點(diǎn)火線(xiàn)圈、線(xiàn)束等零件提供安裝固定位置；④降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪音及振動(dòng)。

該鑄件輪廓尺寸為390 mm×257 mm×142 mm，質(zhì)量為1.9 kg，平均壁厚為2.5mm，投影面積為70 192mm2,鑄件材質(zhì)為AlSi11Cu2。鑄件有多處螺栓凸臺(tái)與產(chǎn)品弧面連接，充型時(shí)容易卷氣及產(chǎn)生縮孔缺陷；鑄件油氣分離孔為非加工孔，因此對(duì)毛刺飛邊要求高；鑄件毛坯平面度要求為0.6 mm，外觀無(wú)明顯的壓鑄流痕；鑄件加工后密封面氣縮孔直徑在ф0.5～ф1 mm的允許2個(gè)，氣縮孔小于ф0.5 mm的允許2個(gè)，傳感器孔機(jī)加工后不允許有氣縮孔外露，內(nèi)腔試漏在壓力0.1MPa下泄漏量≤3 mL/min，硬度 HB要求≥58。因此，該鑄件的生產(chǎn)有一定的難度。使用宇部8500 kN壓鑄機(jī)生產(chǎn)，該壓鑄機(jī)配有實(shí)時(shí)壓射控制系統(tǒng)，壓鑄過(guò)程穩(wěn)定，抽芯及開(kāi)模速度快，適合這種薄壁、要求高的產(chǎn)品。

圖1：缸蓋罩殼體壓鑄零件

為了縮短開(kāi)發(fā)周期，使用了壓鑄模擬分析軟件對(duì)鑄件進(jìn)行凝固分析，以識(shí)別鑄件在冷卻凝固過(guò)程缺陷產(chǎn)生的程度和所在的位置，見(jiàn)圖2。

圖2：缸蓋罩殼體的凝固分析

凝固模擬發(fā)現(xiàn)缸蓋罩主要的熱節(jié)集中在螺栓過(guò)孔。針對(duì)容易產(chǎn)生縮孔的位置，采取調(diào)整該處位置內(nèi)澆口鋁液的流量與角度。基于鑄件結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了2種澆注系統(tǒng)。方案1（見(jiàn)圖3）采用水平推進(jìn)的方式布置澆口，并且在熱節(jié)位置增加渣包。從充型模擬結(jié)果看，整個(gè)鑄件充型較為穩(wěn)定，但在雙油封孔位置存在流速過(guò)慢和包卷的現(xiàn)象；方案2是在方案1的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)（見(jiàn)圖4），方案2可以較好的改善雙油封孔位置的填充，并且消除了鋁液在該位置流態(tài)的包卷，整個(gè)填充流態(tài)較為平穩(wěn)。針對(duì)方案2，對(duì)鑄件進(jìn)行了氣壓分析、填充溫度分析、填充速度分析，見(jiàn)圖5。

圖5：數(shù)值模擬結(jié)果

從模擬效果看，方案2能夠?qū)崿F(xiàn)鋁料的平穩(wěn)充填，卷氣主要集中在渣包和局部填充成型位置。由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，局部壁厚不均勻和狹小位置較多，所以溫度場(chǎng)不會(huì)出現(xiàn)順序凝固，因此需要合理的冷卻系統(tǒng)平衡模具溫度場(chǎng)。為了更好冷卻模具，壓鑄動(dòng)定模具狹小位置采用割鑲件的方式（單獨(dú)控制，損壞后容易更換），目的是采用螺旋形冷卻結(jié)構(gòu)（增強(qiáng)該處冷卻）。

2、高真空工藝與普通排氣塊工藝對(duì)比

2.1高真空工藝

高真空壓鑄工藝是在壓鑄過(guò)程中根據(jù)沖頭位移來(lái)控制液壓真空閥的開(kāi)關(guān)，從而消除或顯著減少壓鑄模具型腔內(nèi)的氣體，以提高壓鑄件的力學(xué)性能和表面質(zhì)量。缸蓋罩高真空模具通過(guò)壓鑄機(jī)設(shè)置的壓射位置控制高真空液壓真空閥的開(kāi)關(guān)。工作過(guò)程為：液壓真空閥在接收到合模到位信號(hào)后，液壓真空閥芯彈出；在壓射沖頭到達(dá)設(shè)定真空啟動(dòng)位置時(shí)，真空開(kāi)始啟動(dòng)，壓射繼續(xù)前進(jìn)過(guò)程中，到達(dá)液壓真空閥關(guān)閉位置時(shí)，液壓真空閥立即關(guān)閉，在沖頭到達(dá)真空機(jī)關(guān)閉設(shè)定位置后，真空機(jī)抽氣結(jié)束。壓射完成后真空閥打開(kāi)，且反吹氣，目的是將真空管道中的油污排出。

2.2高真空工藝參數(shù)的使用

通過(guò)高真空工藝的多次試制，得出了高真空工藝使用的最優(yōu)參數(shù)，見(jiàn)表1。實(shí)際的沖頭速度為3.5 m/s，鑄造壓力為60 MPa。

表1：高真空工藝參數(shù)

2.3普通排氣塊工藝

缸蓋罩鑄件也進(jìn)行了普通排氣塊工藝設(shè)計(jì)，最終的模具方案見(jiàn)圖6，在模具的尾部增加一塊排氣板進(jìn)行自然排氣。壓射時(shí)，型腔中的氣體通過(guò)排氣板排出，以減少鋁液填充模具產(chǎn)生氣壓偏高及卷氣。

圖6：帶排氣塊的模具設(shè)計(jì)

2.4普通排氣工藝參數(shù)的選擇

普通排氣塊通過(guò)多次試制，得出了壓鑄工藝使用的最優(yōu)參數(shù)，見(jiàn)表2；實(shí)際的沖頭速度也設(shè)置為3.5 m/s，鑄造壓力也為60MPa。

表2：高真空工藝參數(shù)

3、兩種工藝批量生產(chǎn)后缺陷數(shù)據(jù)的對(duì)比

3.1高真空及普通排氣塊工藝的缺陷數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

采用高真空工藝進(jìn)行批量試制，統(tǒng)計(jì)最終的缺陷數(shù)量及位置見(jiàn)圖7。

圖7：高真空工藝缺陷分布

采用普通排氣塊工藝進(jìn)行批量試制，統(tǒng)計(jì)最終的缺陷數(shù)量及位置見(jiàn)圖8。

圖8：普通排氣塊工藝缺陷分布

3.2高真空工藝的缺陷與普通排氣塊缺陷分析

可以看出，高真空工藝與普通排氣塊工藝的缺陷主要集中在熱模件、氣孔、加工不過(guò)、起級(jí)、夾層等缺陷；用普通排氣塊還有兩種缺陷為壓傷和扣傷。

高真空工藝的缺陷占比為4.38%，數(shù)量為18件，主要集中在K10/K11及L8區(qū)域；普通排氣的氣孔在整個(gè)缺陷中占比為16.31%，數(shù)量為38件，主要集中在L8及L9區(qū)。由于L8區(qū)域在高真空和普通排氣工藝中均有此缺陷，排除此位置的氣孔為排氣不暢產(chǎn)生。通過(guò)對(duì)熱節(jié)及模擬分析得出，此位置壁厚較厚，容易產(chǎn)生縮孔，缺陷位置處于鋁液填充尾部，通過(guò)壓鑄機(jī)的增壓不能解決該處縮孔，因此增加擠壓來(lái)改善該位置的縮孔。

使用普通排氣塊工藝，在L9位置有氣孔產(chǎn)生，主要是該處的排氣不暢，將該位置排氣口靠近氣孔產(chǎn)生位置增設(shè)溢流槽（見(jiàn)圖9）可以減少氣體壓力解決氣孔缺陷。

圖9：排氣不暢改善方案

高真空壓鑄工藝在K10及K11位置有氣孔加工外露（圖10）且有明顯冷隔缺陷，形成缺陷的原因是模具溫度偏低。

圖10：加工外露氣孔圖片

可以看出，高真空壓鑄工藝氣孔的報(bào)廢率為4.38%，而普通排氣塊的氣孔報(bào)廢率為16.31%，這是因?yàn)楦哒婵諌鸿T工藝型腔的氣壓會(huì)更低，氣孔引起的報(bào)廢率低。

4、結(jié)論

（1）數(shù)值模擬能為鋁合金壓鑄件的質(zhì)量控制及缺陷改善提供良好的參考依據(jù)，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。
（2）通過(guò)采用高真空壓鑄工藝，可以在降低壓射速度和鑄造壓力的條件下，獲得較好質(zhì)量的鑄件。
（3）高真空工藝與普通排氣塊工藝相比，可以有效改善因?yàn)榕艢獠粫硨?dǎo)致的鑄件缺陷。
（4）高真空工藝與普通排氣塊工藝相比可以更好的解決壓鑄過(guò)程的卷氣及排氣問(wèn)題，提高壓鑄件的質(zhì)量。

作者：
安肇勇 黃志垣 陸淳佳
廣東鴻圖科技股份有限公司

本文來(lái)自：《特種鑄造及有色合金》雜志2019年第39卷第11期