低壓鑄造優(yōu)化對V6鋁缸體缺陷的改善

袁 催，王 健

（1.柳州五菱柳機(jī)動力有限公司，廣西 柳州 545005；2.阿爾特汽車技術(shù)股份有限公司，北京100076）

低壓鑄造優(yōu)化對V6鋁缸體缺陷的改善

袁 催1，王 健2

（1.柳州五菱柳機(jī)動力有限公司，廣西 柳州 545005；2.阿爾特汽車技術(shù)股份有限公司，北京100076）

某低壓鑄造V6鋁合金氣缸體在生產(chǎn)過程中，發(fā)現(xiàn)缸套鑄造偏斜并局部結(jié)構(gòu)有鑄造縮松缺陷。針對缺陷，從鑄造工藝、砂芯的結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析以及與金屬模具的配合間隙等方面進(jìn)行優(yōu)化，并與實際生產(chǎn)結(jié)合，提出優(yōu)化措施，改善了缸體的缸套定位偏斜以及氣缸體縮松等缺陷。

低壓鑄造工藝；結(jié)構(gòu)分析；砂芯結(jié)構(gòu)優(yōu)化；整改驗證；缺陷改良

對于大排量V型6缸鋁合金發(fā)動機(jī)氣缸體一般采用高壓鑄造，以滿足其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和生產(chǎn)效率，但由于國內(nèi)高壓鑄造設(shè)備能力、生產(chǎn)實績不足，僅僅有幾家有3 000 t以上的設(shè)備，同時要求投入千萬級的高昂模具費(fèi)用，對于年產(chǎn)預(yù)期相對少的產(chǎn)品，不具備采用高壓鑄造方案。結(jié)合國內(nèi)生產(chǎn)條件和項目特點(diǎn)，本產(chǎn)品采用低壓鑄造工藝生產(chǎn)，由于低壓鑄造V6鋁合金缸體屬于首次嘗試，在生產(chǎn)過程中不可避免的出現(xiàn)了鑄造工藝問題，針對這類問題解決，本文進(jìn)行分析總結(jié)探討。

1 產(chǎn)品介紹

圖1所示鑄件為V型6缸水冷式氣缸體，鑄件材質(zhì)為鋁合金，鑄件質(zhì)量大約為25 kg，鑄件外形尺寸約為405 mm×405 mm×335 mm，缸筒內(nèi)徑Φ82 mm.針對低壓鑄造工藝，設(shè)定鋁合金材料為AC4B，鑲嵌合金鑄鐵缸套，缸體裙部壁厚（6±0.5）mm，一般壁厚（4±0.5）mm，尺寸公差等級為 CT8.

圖1 某中型客車V型6缸水冷氣缸體

2 鑄造工藝

結(jié)合毛坯廠現(xiàn)有4缸直列成熟產(chǎn)品開發(fā)實例以及該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用金屬外模具和內(nèi)部水套采用砂芯組合成型的方式進(jìn)行開發(fā)，并在模具上布置8個澆口，澆口位置設(shè)定在氣缸體兩側(cè)缸筒頂面上，兩側(cè)缸筒內(nèi)外側(cè)各2個澆口。氣缸體倒置于水平面上，在氣體壓力作用下，鋁液由下而上，通過澆口充滿整個型腔（見圖2）。

圖2 氣缸體鑄造工藝示意圖

采用低壓鑄造鋁合金氣缸體有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）金屬液體充型比較平穩(wěn)，成型率高，低壓鑄造的澆鑄系統(tǒng)相對簡單，開發(fā)成本低；

（2）鑄件成型性好，表面光潔，對大型薄壁件成型更為有利；

（3）鑄件組織均勻致密，力學(xué)性能高；

3 樣件問題

該V6氣缸體處于新品開發(fā)階段，試鑄30件后，送樣加工過程中，發(fā)現(xiàn)缸套有不同程度的偏斜，加工后，無法作為裝機(jī)樣件。此外，在缸體兩側(cè)的上端面油孔與水套結(jié)合部位，產(chǎn)生砂眼缺陷，在氣密試驗后，發(fā)現(xiàn)缸體機(jī)加面及其內(nèi)部的水路與油路互滲，同樣不能作為裝機(jī)樣件使用。

對于產(chǎn)品缺陷進(jìn)行分析，找到優(yōu)化措施，改善產(chǎn)品質(zhì)量才是重點(diǎn)。

3.1 缸套偏斜，機(jī)加量過大或不足

3.1.1 發(fā)現(xiàn)問題

在精鏜缸套時，發(fā)現(xiàn)在缸套下部出現(xiàn)“機(jī)加量過大”，上部出現(xiàn)“機(jī)加量不足”等情況（見圖3），機(jī)加量過大表現(xiàn)為機(jī)加后能看到缸套外部的麻點(diǎn)組織；機(jī)加量不足表現(xiàn)為機(jī)加后能看到缸套粗加工后的黑皮組織，在進(jìn)行珩磨時，將會損壞絎磨頭的油石，活塞環(huán)密封失效；并且當(dāng)缸套下端出現(xiàn)機(jī)加量過大，而上端無黑皮組織時，缸套壁厚就會不均勻，整機(jī)進(jìn)行臺架試驗時，缸套頂部將會由于壁厚不均勻?qū)е律岵涣?，活塞在缸筒中高速的往?fù)運(yùn)動，摩擦熱量不能及時傳遞，缸套產(chǎn)生熱變形，嚴(yán)重情況將造成整機(jī)報廢。

圖3 缸套徑加工后余量過大或不足

3.1.2 分析原因

通過機(jī)械加工及孔位對正，確認(rèn)缸體的粗加工基準(zhǔn)對正良好；對問題件剖切，發(fā)現(xiàn)缸套斷面在上下方向上不等厚，即t1≠t2（見圖4），用三坐標(biāo)對砂芯進(jìn)行測量后，排除砂芯制造時偏斜。在鑄造過程中，缸套定位砂芯處于700℃的相對密閉環(huán)境，且V型金屬缸套鑲嵌在砂芯上，缸套及砂芯重力會產(chǎn)生一個橫向內(nèi)傾的分力Gh（見圖5），此外，砂芯受熱后會膨脹且產(chǎn)生形變，缸套上部產(chǎn)生內(nèi)傾位移，最終導(dǎo)致缸套偏斜。

圖4 缸套偏斜

圖5 缸套受力圖

3.1.3 改良效果

在缸套定位砂芯內(nèi)部鑲嵌整體式鐵質(zhì)骨架，增加砂芯支撐剛度進(jìn)行驗證。同時，適當(dāng)調(diào)整砂芯與金屬下模之間的接觸面積，并適當(dāng)增大砂芯與金屬下模間隙至0.6 mm（見圖6），避免砂芯受熱膨脹后與金屬下模直接接觸。新試鑄樣件缸套位置度在Φ0.5 mm內(nèi)，且剖切后，缸套等厚。

圖6 缸套定位芯底部增加鐵質(zhì)骨架

3.2 樣件縮松，密封功能喪失

3.2.1 發(fā)現(xiàn)問題

機(jī)加工過程送檢中，發(fā)現(xiàn)縮松缺陷，位置在發(fā)動機(jī)油路與水路過渡處，該縮松位置將導(dǎo)致發(fā)動機(jī)水路和油路密封失效，油水互滲，一旦整機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生油水互滲（俗稱奶油機(jī)），將會導(dǎo)致整機(jī)潤滑不良，造成整機(jī)報廢（見圖7）。

圖7 縮松導(dǎo)致水套與油路貫通

3.2.2 分析原因

送樣批次的缸體毛坯縮松率高達(dá)70%多，直觀來看，可推測該位置補(bǔ)縮不良或者冷卻不良；而該位置正好為內(nèi)側(cè)澆口位置，澆口位置為鋁液聚集處，溫度最高，對于補(bǔ)縮不良情況，采用增大澆口口徑進(jìn)行試鑄驗證并手工打磨砂芯。試鑄后，切除澆口，噴灑滲透劑觀察，同樣存在縮松缺陷（見圖8），排除澆口通道偏小的推測。

圖8 增大內(nèi)側(cè)澆口截面

澆口過熱也能引起鑄件局部有縮松缺陷，結(jié)合3D結(jié)構(gòu)，對前端澆口位置剖切時，發(fā)現(xiàn)由于初始設(shè)計考慮模具拔模方向，在缸體上端面內(nèi)側(cè)均有過大肉厚處，且缸體水套外壁壁厚為4 mm左右（見圖9），而在對鑄造過程進(jìn)行流模分析時，該處內(nèi)部結(jié)構(gòu)不能形成順序凝固，且該處存在熱節(jié)（見圖10）。

圖9 澆口壁厚不均

圖10 流模分析

3.2.3 改良效果

對該處采取減少肉厚方式進(jìn)行優(yōu)化，去除肉厚較大會導(dǎo)致缸蓋安裝后，整機(jī)結(jié)合面剛度不足（見圖10），由于初期驗證階段，先采用冷鐵骨架鑲嵌在砂芯相應(yīng)部位，在不影響燃燒室結(jié)合面剛度情況下，將兩側(cè)多余肉厚去除（見圖11）同時減小熱節(jié)處澆口截面積，以減小該處熱節(jié)熱量。

圖11 缸體中間端面去肉較大

圖12 缸體兩側(cè)端面去肉較大

新試鑄的氣缸體毛坯在試切后，上端面噴涂滲透顯色劑后，沒有發(fā)現(xiàn)縮松部位，且在缸體加工后進(jìn)行氣密試驗時，通過本次整改后，對縮松缺陷控制很有效。后續(xù)將適當(dāng)整改砂芯模具，以確保產(chǎn)品的一致性。缸體毛坯缺陷數(shù)量大大減少，不良率大大降低，后續(xù)持續(xù)改進(jìn)，降低毛坯成品不良率到目標(biāo)值。

4 結(jié)束語

（1）氣缸體是發(fā)動機(jī)整個主運(yùn)動系部件的重要安裝載體，結(jié)合V6鋁合金氣缸體結(jié)構(gòu)和工藝性分析兼顧開發(fā)成本考慮，采用低壓鑄造工藝，結(jié)合實際類似鋁合金氣缸體生產(chǎn)經(jīng)驗，以從重要面開始澆鑄，由外向內(nèi)，由上至下，充分發(fā)揮澆口的補(bǔ)縮作用，逐步向澆口中心順序凝固為主旨，開發(fā)新品V6氣缸體。

（2）低壓鑄造產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中，還有很多難點(diǎn)需要克服，每開發(fā)一款新產(chǎn)品不可避免會出現(xiàn)一些問題，應(yīng)找到有效的整改措施，通過驗證，逐步降低不良率，逐步提升產(chǎn)品質(zhì)量。

（3）汽車行業(yè)中，越來越多的整車廠的發(fā)動機(jī)缸體都采用更加輕量化的鋁合金缸體，由此可見鋁合金缸體將逐漸替代笨重的鑄鐵缸體，鋁合金鑄造的發(fā)展優(yōu)勢更為長遠(yuǎn)。

（4）對于本文而言，后續(xù)將通過分析、模擬與實際類似產(chǎn)品生產(chǎn)經(jīng)驗相結(jié)合，通過對鑄造工藝的調(diào)整及持續(xù)優(yōu)化，改善了產(chǎn)品質(zhì)量，縮短開發(fā)周期，也為開發(fā)類似產(chǎn)品的過程中積累了寶貴的經(jīng)驗，填補(bǔ)國內(nèi)低壓鑄造V6鋁合金氣缸體的空白。

The Improvement for the Cylinder Defect of V6 Engine by the Optimization of Low-pressure Casting

YUAN Cui1，WANG Jian2
（1.Liuzhou Wuling Liuji Power Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545005，China；2.IAT Automobile Technology Co.，Ltd.，Beijing 100076，China）

In the manufacture procedure of the V6 engine’s aluminum alloy cylinder through the low-pressure casting，we find that the cylinder liner leans and the cylinder have casting shrinkage defect.For this defect，we decide improve from the casting technology，structure of the sand core，structure of the cylinder and the clearance of the fitting of the mould.And then，by the actual procedure process，getting the improvement method，solving the problem of the cylinder liner’s leans and the casting shrinkage.

low-pressure casting；structure analysis；sand core；rectification verification；improving the shrinkage

TG245

A

1672-545X（2017）10-0136-03

2017-07-03

袁 催（1982-），男，湖北云夢人，碩士研究生，研究方向：內(nèi)燃機(jī)。