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300～350℃，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以下先进功能：①能以曲线和图形适时显示各种工艺参数和工艺过程；②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：①稳压阀和大流量减压阀流量不足；②管路阻力较大；③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550～600℃，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2.7 低压铸造机的控制系统PLC采用模块式结构，能自动完成设备运行控制、铸造工艺过程控制、加热控制、冷却控制等，能通过控制压力、时间、温度等工艺参数来完成对整个铸造过程的控制，确保铸造生产全过程的工艺条件稳定。

3 气缸盖低压铸造模具设计3.1 气缸盖铸件工艺性评审由于气缸盖设计壁厚控制在(3.5～4.5) mm，低压铸造气缸盖时合金液总是从铸件底平面浇口引入，流经水套芯和进排气道芯，流向铸件安装边及顶平面，在流动中合金液不断损失热量，自然会形成一定温度梯度，有由远及近（向浇口部位）的顺序凝固趋势。

但若局部壁厚(加上加工余量)大大超过相邻部位的壁厚，就不能形成远端安装边最先凝固、燃烧室底平面再凝固，最后由浇口部位铝液补缩铸件的顺序凝固方式,极易在热节部位形成缩孔、缩松缺陷，造成产品报废，因此在铸件工艺性评审和模具设计过程中要格外注意这一问题，从模具结构、铸造工艺、局部强制冷却等方面采取措施予以克服。

3.2 模具的选材和壁厚气缸盖低压铸造模具由于结构复杂、制造成本较高，为保证有较长的使用寿命和较小的热变形量，型面通常采用优质模具钢制造（欧美国家采用H13，日本采用SKD61，材质与使用寿命基本相当），而模具结构件均采用优质球墨铸铁。

模具设计时在四个侧模部位模具壁厚要减薄，以减少模具蓄热能力，提高该处模温，以形成顺序凝固所需温度场。

3.3 模具的排气系统设计低压铸造时由下至上升液、充型，有利于排气。

好的排气系统设计会大大提高铝液的充型能力，减少充型过程中的“背压”，提高一次浇注成品率。

模具上应相应设计各种排气设施，如：上型模块采用分体镶嵌式结构，结合部位留有0.1～0.2mm的缝隙以利于排气；顶杆直径上留O.1mm间隙，并沿周均匀线切割0.2mm的排气道；分型面、抽芯滑块上加工间距5mm、深0.1～O.15 mm的排气道；砂芯采用壳芯，砂芯定位芯头的后部应做成空腔以加强排气；局部憋气的地方设计可方便拆装清理的柱状排气塞，再喷上适当涂料、调整模温，可保证铸件完全充型，不出现气窝、欠铸等缺陷。

模具内部的空气、砂芯产生的气体需要充分考虑分型方法和排气道，应该在尽量减少随着熔汤充填而产生的背压的情况下排出去。

如果背压高到影响加压速度时，会产生熔汤流动不良、表面缩孔等，因此希望控制在0.002Mpa以下。

关于凸台、加强筋、叶片等形状的部位，可以考虑嵌入式排气孔插入模具。

在分型面和平面部设计排气槽，再加上排气孔、拉深加工等手段尽量做到排气良好的设计。

另外砂芯产生的气体量较大、时间也较长，可以在模具结构上设计确定的排气路线，追加吸引机构。

3.4 模具的浇注系统设计低压铸造的浇冒口设计相对简单，由于零件结构和工艺方案所限，一般只能在底部安装孔位置设计2～4个浇口，为保证充型浇注效果，在允许的条件下浇口直径可设计略大一些，同时可设计环形的辅助浇道以分流铝液。

由于浇口部位最后凝固温度很高，不易脱模，有时甚至会产生浇口折断，因此浇口的出模斜度应设计为5～7 。

由于气缸盖低压铸造多采用单升液管经升液箱将铝液分配至多处浇口的形式，因此升液高度和升液管内径非常重要，升液高度过大、升液管内径过小会造成铝液充型时流速过高，在浇口处形成“喷溅”，严重影响型腔排气，造成成品率降低，且会使砂芯过早溃散形成“粘砂”，因此气缸盖低压铸造升液管内径一般在100～150mm。

低压铸造品的设计基本要求是将壁厚整体平均化，或是将壁厚的分布考虑容易实现方向性凝固的地方。

也就是说对于浇口而言，断面从小到大逐渐变化是产品设计的必要条件，因此如果产品的性能上无法进行这种设计时最好避开使用低压铸造法。

充分考虑铸件整体的方向性凝固和浇口周围的冒口效果的浇口位置、大小、数量的设定也是非常必要的。

浇口的位置应该是铸件整体的最大壁厚部位，并且要设在从熔汤前方和上方可能达到方向性凝固的部位。

因产品形状、大小等原因浇口数量有所差异，但通常是1-4个。

在远离浇口的位置如果壁较厚冒口无法到达时，有时也加上无顶冒口。

浇注方案上对这些问题进行为维持方向性凝固的严格的温度控制和条件管理等，根据情况还可以在成为热点的部位进行空气、水等的冷却。

浇口部位的截面做成圆形是较理想的，但事实上由于产品形状的限制经常是不得不做成不规则的形状。

在这种情况下为了防止该部分的过冷，最小截面积最好应是浇口附近产品壁厚的2倍以上。

浇口的高度h比较低时可以得到较大的因浇口处热量提供和加压而引起的补缩效果，而且也容易实现方向性凝固，但这是防止氧化物的滤渣网的固定部位，由于因铸造条件的变动引起浇口长度的变化，因而一般情况下考虑30-40mm较多。