鋁合金壓力鑄造技術在發動機試制中的應用

周黎明　戴維　楊仁康

摘 要：結合發動機開發過程，系統介紹鋁合金壓力鑄造技術在發動機試制中的應用，在依據壓鑄生產工藝基本原則的情況下，根據實際情況，簡化或調整了部分內容，以適應試制工作的要求。

關鍵詞：鋁合金；壓力鑄造；發動機試制

1 前言

當發動機整機設計和零部件設計基本完畢之后，開發企業要進行少量的樣件的試制，樣件試制的主要目的有 1）驗證產品設計的合理性2）驗證工藝的可行性3）整機裝配驗證4）進行基本性能試驗及可靠性試驗。樣件的試制不同于大規模的工業化制造，試制工作不追求節拍、生產效率，有時甚至可適當放寬對合格率的要求，但對制作周期、樣件質量有著苛刻的要求。為了滿足這些目的，同時又要符合短周期、高質量的要求，就需要對試制工藝的制定進行嚴格把關。

目前發動機氣缸體、氣缸蓋、進氣歧管、發動機懸置支架、油底殼、鏈殼、凸輪軸支座等零件廣泛使用鋁合金材質，毛坯的成型工藝包括壓力鑄造、砂型重力鑄造等，本文將系統介紹鋁合金壓力鑄造技術在發動機試制中的應用。

2 鋁合金壓力鑄造技術的特點

壓力鑄造技術是目前鑄造生產中技術含量較高的先進鑄造技術之一，高速充型和高壓凝固時壓力鑄造時液態金屬充填成型的兩大特點，也是壓力鑄造工藝與其他鑄造的最根本區別。鋁合金壓力鑄造是在壓鑄機的壓室內，澆入液態的鋁合金，使它在高壓和高速下充填型腔，并且在高壓下成型和結晶而獲得鑄件的一種鑄造方法，壓鑄工藝的主要優點[1]。

（1）壓鑄件尺寸精度高、表面粗糙度低。壓鑄生產使用非常精密的壓鑄模，可以生產出尺寸精度高、表面粗糙度非常低的壓鑄件，且尺寸穩定、互換性好。壓鑄件尺寸精度一般可達IT11～IT13，有時可以達到IT9級。表面粗糙度參數Ra值一般在0.8～6.3μm之間，最低可達0.4μm。一般壓鑄件在清理飛邊毛刺后不經機械加工或僅對個別部位少量加工即可使用。

（2）可壓鑄薄壁復雜鑄件。在高速高壓下，液態金屬的充型能力及壓實效果大大提高，因而可以生產出薄壁、復雜、輪廓清晰的壓鑄件。鋁合金壓鑄件最小壁厚可達

0.5mm，壓鑄件最小鑄出孔徑可達0.7mm。

（3）壓鑄件的表面硬度和強度高。由于壓鑄模具的激冷作用，壓鑄件能快速凝固，使表面層組織比較致密，表面硬度和拉伸強度都較高，其中拉伸強度比砂型鑄件高 20%～30%。

（4）壓力鑄造生產時易在壓鑄模上設置定位機構，滿足某些鑄件局部特殊性能的要求，進行帶有鑲件的壓鑄件生產。

由于充型速度快，空氣難以排出，容易被壓碎為細密的氣泡殘留在鑄件。而高溫會使壓鑄件內部氣孔中的氣體發生膨脹，使鑄件表面發生鼓包等現象，因此一般壓鑄件不能進行高溫熱處理，但針對某些零件如缸體，可根據使用情況進行 T2熱處理，確保消除鑄造殘余應力。

3 壓力鑄造生產過程

壓力鑄造生產過程是壓鑄合金、壓鑄模具、壓鑄機器的聯合體，這是壓力鑄造的三要素。

壓力鑄造的主要生產環節及工藝過程如圖1所示，包括壓鑄模具設計制造、壓鑄生產準備、合金熔化、壓鑄機上實施生產及壓鑄件清理與質量檢驗五個主要生產環節。

3.1 壓鑄模結構及使用壽命

試制模具相比于量產模具在結構上無太多簡化之處，只是在模具選材及模具壽命上有所差異。壓鑄模具由各種模板構成模具框架，靠導柱、導套導向；動模型芯、定模型芯分別鑲配在動模框架和定模框架內；卸料部分由復位桿、推桿、推桿固定板、推桿底板構成。對于試制模具，由于使用不頻繁，可不制作熱油道。

壓鑄模由定模和動模兩部分組成，試制模與量產模機構基本相同，壽命不超過 3萬件；對于支座等小零件，出于生產效率的考慮，量產模具設計時一般考慮一模多腔，但試制時，一般僅考慮一模一腔，這樣模具的尺寸、費用都等將得到很好的控制。

隨著工藝仿真技術應用范圍不斷擴展，若具備相應的能力，在工藝設計和模具設計過程中，須進行CAE鑄造工藝分析，以確保進料系統、排溢系統、冷卻系統設及工藝參數計的合理性，以減少試制周期和降低試制風險，具體的模擬仿真分析項目見表3。

3.2 合金熔煉

發動機鋁合金壓鑄件的材料一般為 ADC12，相當于中國國產的合金代號 YL113，執行標準GB/T 15115-2009。

壓鑄模設計制造壓鑄生產準備壓鑄機上實施生產壓鑄件清理與質量檢查合金熔煉是壓鑄過程一個重要環節，金屬以固態變為熔融狀態的合金液，這是一個復雜的物理和化學反應過程，它在不同程度上影響合金的化學成分、物理和化學性能，以及機械和鑄造性能，遵循正確合理的工藝規程進行合金熔煉，是獲得優質鑄件的先決條件。

熔煉時不可避免的要加入一定量的舊料，新舊料的配比>1：1。通過除渣、除氣、精煉和變質處理等，使合金液盡可能純凈，保證成分符合標準，晶粒細化組織均勻，具有適當的溫度，控制在650℃～670℃，以滿足鑄造工藝的要求。

3.3 壓鑄生產準備

試制樣件的生產安排不同于量產的生產準備，壓鑄機的型號選擇也并非嚴格按照計算公式的結果，但壓鑄機的種類一般選擇臥式冷室壓鑄機，根據零件的尺寸大小及復雜程度，壓鑄機的噸位從800T～3200T。

試制模具制造完成后，由鉗工進行修配，通過天車、合模機等裝置完成模具裝配。目前大多數模具制作廠家已具備毛坯的壓鑄能力，可快速進行模具的安裝與調試；但尚有部分模具廠需外委進行模具的安裝、調試及毛坯鑄造。

試制壓鑄模具因沒有制作熱油道，需通過慢壓射鑄件對模具進行預熱。一般情況下 7～8模即可達到正常壓鑄生產的溫度，通過手持式測溫儀進行溫度測量，模溫在 150℃～180℃較為適宜。

3.4 壓鑄機上實施生產

上方，十分鐘左右即可；取放時需注意操作人員的防護，以免燙傷。

3.5 壓鑄件清理與質量檢查

鑄件取出后，需清理澆注系統、排溢系統等處的飛邊、毛刺。試制階段一般選擇手工清理的方式，使用銼刀、砂輪機等工具。清理時要保證清理干凈，同時要防止清理過度，損傷鑄件。

壓鑄件質量包括外觀質量、內在質量和使用質量，鑄件缺陷檢查普遍采用的方法有：

（1）目視檢查；（ 2）化學成分檢查；

（3）力學性能檢查；（4）金相檢查；（5）尺寸檢查；（6）氣密性檢查（水檢）；

（7）無損探傷檢查（X射線、超聲波）；

（8）剖切檢查。

力學性能檢查的結果與試樣類型及選取部位密切相關，需根據各零件的技術要求，確定試樣是從鑄件本體上取樣，還是單獨鑄造試樣。

縮孔和縮松是壓鑄件的主要缺陷，通過 X射線檢查，能確定缺陷的投影位置、大小和缺陷種類，以準確判斷樣件是否滿足使用要求。

有氣密性要求的壓鑄件，大多是在成品加工完成后進行密封性檢測。試制階段，由于鑄件質量不穩定，根據零件的實際情況，可在精加工前，對鑄件進行一次氣密測試，并根據檢查結果，進行浸滲處理，封堵微孔缺陷。

4 結語

本文針對鋁合金壓力鑄造工藝在發動機試制中的模具設計、鑄造生產及質量檢查等進行了系統介紹，相關內容大多是對實際試制工作的經驗總結，注重于壓鑄工藝在發動機試制中的應用，希望為發動機的試制工作提供相關參考、借鑒。

參考文獻：

[1]劉志明 .壓力鑄造技術與應用 .天津大學出版社，2010年 9月第 1版，12頁 .