鋁合金水冷缸頭低壓鑄造缺陷分析及優化對策

余永龍

摘要：水冷缸頭是指在汽車等設備中存在的用于散熱的裝備，水冷缸頭通過冷卻水的進入對缸頭起到了冷卻的作用，從而達到了散熱的作用，為發動機提供了良好的運行環境，提高了發動機的動力性能。目前我國在水冷缸頭相關技術研發取得了一定的成就，但是由于其內部結構與制造工藝非常復雜，大大提升了水冷缸頭鑄造的不合格率，不僅浪費原材料成本和生產成本，影響制造企業的經濟收入，還在一定程度上對產品的質量產生了負面影響。基于此，本文對鋁合金水冷缸頭低壓鑄造缺陷進行了分析并提出了相關建議。

關鍵詞：水冷缸頭;低壓鑄造;缺陷;優化對策

0 ?引言

低壓鑄造是目前我國制造工業應用較為廣泛的凝固鑄造方式，是在密封環境中將空氣進行壓縮形成低壓力使得金屬液上升到鑄型中并凝固的鑄造過程，一般用于有色金屬零件的鑄造，例如鋁合金水冷缸頭。由于在鑄造過程中對氣道表面的要求較高，水冷缸頭鑄造的結構復雜，燃燒室條件不足和生產初期受到各種因素的影響導致低壓鑄造會產生各種各樣的缺陷，例如鑄件變形、縮孔和澆不足等問題，降低了產品的質量，不合格成品和廢品的處理還加大了人工成本，因此要采用合理的優化對策，提高鑄件良品率和產品質量。

1 ?缸頭鑄件結構

缸頭又叫做缸蓋，是汽車發動機的重要結構之一，是保證汽車發動機正常運行的關鍵結構。缸頭內部結構中含有凸輪軸結構，凸輪軸結構與活塞和缸體共同組成了燃燒室。燃燒室、氣門室和氣道是鑄件結構的主要部分，在燃燒室中當油氣發生爆炸時溫度可高達1100攝氏度，爆燃所產生的高溫會對內壁產生相應的沖擊作用，從而達到提高壓力峰值的作用，這時內壁的峰值可高達7MPa[1]。本文研究的水冷缸頭型號為Z16LB，是重慶某機械制造公司為出口訂單制造的，鑄件結構如圖1。Z16LB型號的缸頭鑄造工藝為低壓鑄造，熔煉工藝采用的是天然氣熔化爐熔煉工藝，砂芯制造工藝先進，采用的是熱芯盒覆膜砂工藝，鋁合金金屬配比精準，經過鑄造后實現精準除渣，該缸頭的鑄造工藝復雜，對結構精準度和質量要求極高。

2 ?Z16LB型缸頭常見的低壓鑄造缺陷

2.1 漏氣缺陷

漏氣是缸頭常見的低壓鑄造缺陷。在低壓鑄造中對缸頭產品的技術要求是非常嚴謹的，產品完成后需要進行百分百密封實驗，在測試密封性實驗過程中將壓力等級設置為DK2，容許泄漏值標準為Q/LK J16-2006。密封性實驗是為了測試缸頭是否存在漏氣的缺陷，需要在水道環境中進行，如果泄漏值出現比設定的標準值高的時候則說明該缸頭出現了漏氣缺陷，一般在開發起初階段，缸頭出現漏氣缺陷的概率高達百分之三十五[2]。

2.2 縮松缺陷

縮松是指缸頭在加工銑面過程中某一部位出現微小的孔和裂隙，并且大部分的孔和裂隙的形狀都不規則。縮松缺陷主要出現在蓋面中（見圖2），圖中出現的縮松缺陷較淺，近似圓形，缺陷微小不易被人發現，該缺陷一般發生在鏈腔外壁中且位置較為固定，具有較強的規律性，因此相關檢驗工作人員可以根據常發生的位置這一規律對缸頭是否出現縮松進行檢查和確定。

2.3 氣孔缺陷

氣孔是在金屬液體充型過程中氣體進入到型芯當中且沒有得到及時排放導致的，目前在水冷缸頭低壓鑄造中氣孔大多為侵入性氣孔[3]。在鑄造過程中氣孔的面積跟縮松相比略大，大的可以達到幾毫米，氣孔形狀比較規則，一般為球形和扁球形，氣孔內壁比較光滑、整潔。氣孔缺陷發生的位置一般為進氣導管中和出氣導管中，處于導管內壁中的氣孔可以通過X射線檢查出來，但是由于部分氣孔發生在比較隱蔽的位置，則不能通過X射線探傷出來，為相關檢查人員的工作提出了巨大的挑戰。

3 ?缺陷產生的原因及其解決辦法

3.1 產生漏氣的原因以及對應的解決策略

在進行水道漏氣實驗中如果出現了泄漏值過高的現象則被認為是該缸頭出現了漏氣缺陷，漏氣缺陷出現后相關工作人員要找出原因并采取對應的解決方式。為找出漏氣部位相關技術人員應該先進行濕式側漏實驗，實驗對象為漏氣缺陷缸頭，將漏氣缸頭的各水道出口和進口進行嚴密的封堵，封堵后注入壓縮空氣并將實驗裝置放到水中，在水中觀察其氣泡的大小以及氣泡的出現位置，經水道實驗后降缸頭具體的漏氣部位找出來并進行進一步局部解剖，鎖定具體漏氣位置并進行斷面分析，發現該裝置的密封性較差，出現了縮松缺陷，導致漏氣缺陷。根據實驗和專業技術人員分析，該缸頭出現漏氣的位置位于毛坯壁的較厚處，同時也是容易發生縮松的位置，根據冷卻速度和其他各種因素引起的縮松漏氣，針對漏氣缺陷提出了以下幾種解決辦法[4]。

根據漏氣缺陷特點對模具進行改進。改進模具是為了提高低壓鑄造工藝在生產過程中的精密程度，減少鋁合金水冷缸頭缺陷的發生。首先，相關技術工作人員要加大澆口，使得補縮效果更加明顯。其次為減小熱節應該合理的增加毛坯預鑄孔，在原有預鑄口的旁邊增加一個或兩個預鑄孔，從而達到減小熱節的作用，減少熱力應力集中，減少冷卻速度快給內壁帶來的影響，從而減少漏氣等缺陷的發生。最后，要注重冷卻通道對壓鑄過程的散熱作用，在低壓鑄造過程中加強通風，增加冷卻通道的數量[5]。

3.2 產生縮松缺陷的原因以及對應的解決策略

縮松是銑面后出現的不規則細小裂縫和微小孔眼，該類缺陷發生的位置跟漏氣相比相對比較固定，常發生在蓋面上，由于形狀具有不規則性和位置的固定性使得缺陷的檢查更加具有規律性，大致確定位置后進一步分析缺陷產生的原因。缺陷處于冒口與冒口之前且中間距離較小，受到鑄造過程中熱量的影響從而形成熱節，根據相關技術人員分析，本次縮松產生的原因為補縮不及時，由于在凝固過程中內壁最薄的部分最先完成凝固，導致補縮通道難以形成，從而使增壓壓力無法作用導致縮松缺口的出現。對于縮松缺陷的產生可以采取以下對應的解決方式[6]。

減少鋁合金水冷缸頭低壓鑄造中的縮松缺陷的主要解決辦法為對相關模具進行改進，對于縮松缺陷所發生的位置進行局部機加工余量減少，將原來的4毫米改為2毫米（見圖3），在圖中可以清晰的看出加工余量減少的具體位置，根據實際情況要想加大縮松缺陷的減少程度還可以改為1.5毫米，減少后可以有效改善該處的熱節，從而達到減少縮松缺陷的目的。

3.3 產生氣孔缺陷的原因以及對應的解決策略

氣孔缺陷是鋁合金水冷缸頭制造過程中一直都會存在的問題，貫穿了整個鑄造過程，因此給減少氣孔缺陷工作帶來了極高的難度。在開發初期到產品收入使用的整個過程中導管孔壁都有較大的概率出現氣孔缺陷，氣孔缺陷產生的原因包含多種因素，解決過程跟以上兩種缺陷相比所需時間更長。

首先在產品的開發階段應該先對相應的模具進行改進，以減小氣孔的發生概率。注重模具排氣功能的設置和加強，相關技術工作人員應該采取各種排氣方式，比如在充型過程中對充型模具進行改進，在模具的死角處做合理數量的排氣設計，還可以在砂芯的芯頭處做排氣槽設計，使氣體可以通過排氣槽或者排氣孔排出缸頭。此外相關工作人員還可以加強頂桿間隙來實現排氣的目的，以上幾種模具改進措施可以在很大程度上改善氣孔的問題，但是還有部分位置隱蔽的氣孔缺陷問題等不到解決[7]。其次，在本次研究中相關技術人員還通過減小發氣量來降低氣孔缺陷的發生概率，在選擇制造砂芯原材料的時候盡量選用發氣量較小的覆膜砂，與此同時還要相應的延長砂芯烘烤時間，從而達到減小澆注過程中產生的發氣量，調整相關具體澆注參數。

4 ?結束語

綜上所述，鋁合金水冷缸頭低壓鑄造存在很多的缺陷，常見的缺陷類型有氣孔、縮松和漏氣等，本文對這三種缺陷產生的原因以及對應的解決方案進行了深入的分析并且取得了良好的效果，要選擇合適的低壓鑄造工藝和技術，提高制造生產質量和水平。

參考文獻：

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[2]王春偉.淺談低壓鑄造鋁合金車輪主要缺陷分析與控制[J].科技展望，2017，27（9）：56-59.

[3]劉洋，侯佳新，張志壯.A356鋁合金低壓鑄造輪轂輪輻缺陷分析及改進措施[J].鑄造技術，2017，38（12）：177-180.

[4]許國宏.鋁合金缸頭低壓鑄件質量改進的工藝措施[J].中國鑄造裝備與技術，2015，45（003）：63-67.

[5]鄧金亮.K14B缸蓋低壓鑄造缺陷產生原因及防止措施[J].鑄造，2009（12）：77-80.

[6]賈曉飛，王志峰，趙維民，等.低壓鑄造鋁合金輪轂內部缺陷分析及改進措施研究[J].鑄造，2010，059（012）：1298-1302.

[7]吳榮榮.水冷發動機氣缸頭鑄造缺陷的研究[J].鑄造技術，2017（01）：256-258.