5汽车发动机气缸盖低压铸造工艺研究

汽车发动机气缸盖低压铸造工艺研究东安汽车动力股份有限公司铸造公司 朱昱摘要 本文综合分析了采用低压铸造工艺生产汽车发动机气缸盖的独特优点，从低压铸造设备、低压铸造模具设计、生产工艺、低压铸造生产中常见的问题及对策等多个角度，对低压铸造工艺的技术动向以及今后的研究课题提出了自己的见解。关键词 低压铸造 气缸盖 模具设计 浇注系统 排气系统 缩松 微量元素 浇冒口1 绪 论随着汽车工业的飞速发展和现代汽车制造业轻量化、节能环保要求的不断提高，铝合金铸件在汽车发动机锻铸件中所占比重日益增大，铝合金特种成形工艺获得了较快发展，其中尤以低压铸造工艺的应用得到了迅速的普及应用与推广。与其它传统的铝合金铸造工艺相比，低压铸造工艺有着十分明显的优势。采用设计合理的带有冷却系统的模具可实现铸件的顺序凝固，铸件从底部得到浇注和补缩，因此可以不用冒口，铸件的工艺出品率高（一般在90%以上），由于在压力下充型，铸件组织致密，尺寸精度和表面光洁度很好且可以采用砂芯制造出复杂的缸体、缸盖类铸件。低压铸造工艺在资源匮乏的日本应用十分广泛，近年来随着中国汽车工业的发展和国际间技术合作与交流的增强，我国如广汽本田、东风日产、一汽丰田、重庆长安等厂家纷纷引进低压铸造工艺用于生产气缸盖铸件，产品质量良好，目前均已形成了较大规模。低压铸造是液态金属在干燥的空气压力作用下，沿着升液管由下而上地充填型腔，以形成铸件的一种方法。由于在整个铸造过程中采用的压力较低，所以称之为低压铸造。金属液是在外力作用下结晶凝固，进行补缩，它的充型过程不同于重力铸造及高压高速充型铸造（压铸），具有以下独特的优点：（1）液体金属充型比较平稳，速度易控制；（2）铸件成形性好。在压力下充型，流动性增加，有利于获得轮廓清晰的铸件；（3）铸件组织致密，综合力学性能高。对要求耐压、防漏的铸件其效果更好；（4）工艺出品率高。浇注过程中，压力卸掉后浇口中未凝固的金属液回流到保温炉里再次用于铸造。本文中并不就一般低压铸造原理和技术进行研讨，只是根据几年来东安铸造公司采用低压铸造工艺研制生产气缸盖铸件的经验和体会，参考国外低压铸造设备和生产工艺实践，对低压铸造工艺生产气缸盖的若干技术问题予以讨论2 低压铸造设备2.1 低压铸造机模具安装结构为了模具水平开模需要，低压铸造机都具有安装在定模板上的四方向水平芯缸，与上模动模板及模具安装板形成六方向开模。由于气缸盖类铸件结构特殊，常常有难以出模的火花塞孔、排气孔等结构，这些部位因厚大致使热节十分集中，生产过程中废品率极高。为解决这一问题，许多厂家采用模具上加装水冷油缸斜抽芯或油缸驱动齿轮齿条抽斜销的形式，这就需要低压铸造机上要备有至少1个液压接口。2.2 模具快速定位与装夹由于气缸盖结构和铸造工艺的特殊性，模具重达1t左右，模具必须充分预热、喷涂料、烘烤，模温高达300350，因此热模具快速定位与装夹固定成为一个难题。目前国内外的低压铸造机均配有各种形式的模具装夹小车，定位和装夹一付模具在15 min内可以完成。2.3 低压铸造机保温炉的形式与密封目前低压铸造机保温炉有炉体密封(采用整体打结炉衬)和坩埚密封两种形式。前者由于采用打结炉衬可防止铝合金增铁，且不必频繁清理、喷刷涂料，优化了生产条件，但炉膛内空间较大，要有相应液面加压补偿装置。采用坩埚密封则要用铸铁或铸钢坩埚，长时间保温容易造成铝合金增铁，且每个班次都要清理和更换坩埚。国外低压保温炉的炉盖、加热器和炉门多采用石墨陶瓷盘根或耐高温陶瓷纤维绳密封，有标准的密封槽，密封良好，可以不开大盖，在专用加料口增补铝水。2.4 液面加压控制系统 图图2 低压铸造机的液面加压控制系统1程序控制器 2信号放大器 3干燥空气源 4压力表 5压力开关 6电控比例阀7排气减压阀 8（炉内）排气系统 9手动阀 10保温炉 11模具液面加压控制系统决定着低压铸造机的先进性。在实际生产中，由于保温炉密封不严造成漏气；工厂中供气系统负荷的变化，空气压力的波动；生产进行中液面的下降等，要求该系统应具有压力自动监控和自动补偿功能，消除外界因素的干扰，以达到跟踪合理的加压工艺参数的能力，因此，液面加压控制系统成为降低废品率的关键，是一个最主要的环节。目前国外如日本福助、ISUZU、德国GIMA、KURTZ等先进的低压铸造机液面加压控制系统均有以下先进功能：能以曲线和图形适时显示各种工艺参数和工艺过程；能记录、监视、诊断、检查，还能保证工艺参数的重复再现性；（3）具有压力自动监控和补偿功能，补偿范围为炉内液面波动、炉子气压泄漏和管道气压波动等的影响。（4）加压压力控制采用电空比例阀控制，控制精度0.5KPa，响应时间1ms。目前国内低压铸造机的液面加压装置有很多种，但设计的各种加压方案(曲线)只能在控制台上实现，压缩空气被引入保温炉或坩埚内就完全不是预先设计的加压曲线了，铝合金液体也不能按原来设想升液、充型和增压、保压，最主要原因在于：稳压阀和大流量减压阀流量不足；管路阻力较大； 保温炉内空间容积较大。2.5 低压铸造机的升液管和浇口保温套低压铸造机升液管价廉物美的应数球铁升液管。在球铁升液管内外喷涂料，每班更换一次，寿命比钢质升液管好，目前在国内许多大型铝轮毂厂均有应用，但其寿命短、更换繁琐，缺点较为突出。升液管使用耐火陶瓷材料作成陶瓷升液管,具有使用寿命长、防止增铁等优点,但高昂的价格影响了它的应用和普及，多从国外进口。为了精确控制浇口部位的温度，在升液管与模具之间增设一个中间升液管（喉管），采用铸铁材料作成，内衬硅酸钙板等保温隔热材料，顶部内置高温电加热器替代电阻丝和燃汽预热装置，可根据设定值自动控制加热温度，使保温套加热温度可稳定在550600，且寿命可达500h以上。2.6 压缩空气净化系统低压铸造的浇注及模具冷却过程均要依靠压缩空气完成，而熔融的铝合金液极易与水份、油发生反应，形成氢溶于合金液中，造成合金含气量严重超标，因此气体干燥过滤装置和储气罐是绝对必要的，一些厂家忽视气体干燥，引起铸件针孔度升级，力学性能下降，且使液面加压装置中的浇铸阀、换向阀生锈，发生设备故障。根据多年的低压铸造实践经验，铝合金低压铸造工艺对压缩空气的质量要求如下： 表1 低压铸造工艺对压缩空气的质量要求压缩空气杂质级别（ISO8573）杂质含量要求设备配置水份2压力露点40C，含量0.11g/m3微加热吸附式干燥器油510mg/m3(8ppm)LNB精密除油过滤器（过滤精度可达0.4mg/m3）灰尘455%，即使加入潮湿、不洁的炉料也不会影响合金液的熔炼质量，安全性高，熔化过程中合金的烧损仅在（0.51.5）%，铝水出炉温度为（740C5）C。4.4.2 精炼工艺电加热石墨坩埚转水保温炉或燃汽预热转水包内精炼处理，铝液精炼保温温度为（7205），在此温度下进行除渣、除气。采用FOSECO公司FDU旋转除气装置，转子转速300350rpm，氩气纯度为99.60%，压力0.3MPa，流量1520L/min，除气时间设定为10分钟，现场检验合格（含氢量0.2ml/100g，含渣量K1/20）后转入低压铸造机的保温炉里。4.4.3 合金的金相组织AC4B合金为亚共晶型铝硅系合金，含硅量为(710)%，显微组织为a相共晶硅，由于未进行变质，共晶硅呈短杆状或针状，由于合金含硅量较高，又加入了微量的Ti、Mn，使得合金的铸造性能和高温性能优良，气密性、耐蚀性也较好，适合于砂型及金属型铸造。目前在气缸盖低压铸造工艺生产中多采用AC4B合金，无需进行变质处理即可获得优良的机械性能和高品质的铸件。图7 AC4B合金显微金相组织 100X4.4.4合金的凝固区间对于AC4B合金，其凝固范围为（516604）C。在604C合金中的铝开始凝固，565CAl-Si共晶相出现并凝固，545C出现Al-Si-Cu三维共晶，516C出现不纯物等多元共晶。掌握好气缸盖铸造凝固过程中铝合金的温度变化，可优化模具铸造方案，确保铸件从凸轮轴室向浇口方向顺序凝固，提高铸件品质。5 低压铸造生产中常见的问题及对策5.1 浇口折断防止方法：保持浇口衬套的高温（Min.450）；不应将加压结束后的冷却（排气）时间随意加长。为了保持浇口衬套部位的温度，尽量应缩短铸件取出搬运、模具吹扫及下芯时间并保持稳定（目标时间max.120sec）。在刚开始投产时，浇口部位极易发生型腔堵塞、浇口断裂现象，因此特别要注意在浇注的前13件设置浇注参数为“冷模”状态，不要设置过滤网。5.2 缩孔防止方法：铸造作业的标准化，根据温度进行加压、凝固条件的自动设定，铸造条件的稳定；根据浇口、给汤管面积的扩大增加热量，根据上型冷却增加温差坡度，缓和壁厚急变（加圆角、增加对下型的壁厚）5.3 升液管开裂（漏气）判断方法：因升液管放置在保温炉内，无法观察，只能靠经验加以判断，如根据铸件的成型缺陷进行分析，具体方法为：当模具温度、铝液温度都足够高的情况下，铸件还是出现浇不足缺陷。这是由于升液管漏气，使正常的模具排气塞无法排除来自炉内的气体，造成型腔充气，而铝水无法充满；浇口处有严重的氧化夹杂物或出现不饱满的现象，这是由于高温状态下的空气和液态金属长时间的混合流动造成的。防止方法：定期清理升液管表面氧化渣、喷刷涂料，喷刷时力求均匀；清理中仔细检查升液管是否有裂纹存在。5.4 流动性不良防止方法：保持适宜的合金浇注温度；提高模具上型温度； 检查控制面板的加压曲线是否有异常；确认模具排气塞、气道的畅通；确认浇口部位无铝氧化物的残留，氧化物多的时候，用钢棒等清除浇口内壁，并涂刷耐高温涂料；确认模具型腔涂层是否损伤或脱落，可再次进行补喷。5.5 铸件出型困难（升液管内部分金属液凝固）形成原因：由于保压时间过长、模具温度太低、铝液温度太低造成的，一般易在首件生产中发生。防止方法：刚开始生产时，由于模具温度不均匀且偏低，保压时间应尽量缩短，宁可让铸件内的部分金属倒流回保温炉中，一般生产34件后，模具温度处于正常。处理办法：立即停机，卸下模具，尽快打开模具取出铸件（可以采用液压千斤顶或气焊枪等工具），将模具清理干净，恢复正常生产。6 低压铸造工艺的技术动向及今后的课题低压铸造法从被大量使用以来已有30多年了，现在已确立了生产铝合金铸件的重要工艺方法之一的地位。特别是在气缸盖的铸造生产中的作用巨大，今后低压铸造仍会是气缸盖的主流铸造工艺方法之一。从空冷小型发动机的气缸盖开始，到水冷化、多气缸化、功能的扩大、DOHC化和材料重量的增加，并且气缸盖的形状和结构越来越复杂，铸件壁厚变化也在加大，铸造的难度也随之增加，同时为了降低成本提高生产效率，国外许多高水平的铸造厂已实现了1模2件、更换模具时工序改进、动模速度提高和与后处理工序的结合等，模具冷却控制和浇注过程中的加压控制等技术也在逐年提高，目前已出现了包括砂芯的搬运和组装在内的完全自动化低压铸造生产线，这同时也将操作者从高温作业中解放出来，改善了作业环境。根据以上讨论的内容，我们可以考虑以下气缸盖低压铸造技术的课题：提高铸件强度（如何对下型进行冷却是重点，但以往的技术在低压铸造中很难应用，所以认为气缸盖更适合采用重力铸造，目前在欧美国家气缸头的主要铸造法仍是重力铸造法，低压铸造工艺必须要解决铸件下型冶金质量问题）；生产效率的提高（提高控制技术、后处理线的同步化、全自动化生产线的推进，考虑到铸件的高强度化和高生产性化的要求，条件控制会变得比现在复杂，因此紧凑的自由度高的生产线结构可以保持综合的高水准铸造品质。）；缩短产品开发时间（需要在设计初期阶段积极运用CAE技术，进行凝固流动解析、铸件应力解析，优化模具方案）；铸造操作技能的延续（模具喷涂、铸造条件的调整与控制等的掌握是最紧迫的项目，越是推进生产线的自动化和无人化，这个问题越显得重要。由于低压铸造很难定量数据化，而且与经验有关的项目较多，所以进行专业化技能培训是很重要的，同时为了达到定量化控制而进行的低压铸造工艺与材料的基础研究和开发也同样重要）。11