某低壓鑄造鋁合金缸蓋缺陷的分析

王 健，王奕欽，羅世君

（1.柳州五菱柳機動力有限公司，廣西 柳州 545005；2.柳州菱特動力科技有限公司，廣西 柳州 545005）

0 引言

中國經濟的持續高速發展，越來越多的家庭都能擁有汽車。發動機是汽車的心臟，其主要由曲柄連桿、配氣兩大機構及冷卻系統、潤滑系統、點火系統、啟動系統及燃油供給五大系統組成。所有機構裝于發動機主體上，其中主體由缸蓋、上氣缸體及下氣缸體組成。本研究主要針對缸蓋的結構、從鑄造導致的缺陷進行分析并提出改良工藝。

1 缸蓋主要結構及鑄造工藝

缸蓋是發動機總成的重要部件，由燃燒室、高壓油路、進排氣道、水套、油池隔板構成。缸蓋燃燒室工作環境較苛刻，燃燒室需承受高溫高壓氣體的反復沖擊[1]，燃燒室壁厚需盡量設計厚一些；缸蓋內部有運動件，故需設置高壓油路，對各個運動件進行潤滑，故高壓油路不允許滲漏；進排氣道橫向布置在燃燒室兩側為燃燒室提供油氣。為達到盡可能低的進氣溫度，氣道壁相對較薄；水套需要對燃燒室、進排氣道以及火花塞孔進行冷卻，同時水套又要避讓回油孔、缸蓋螺栓孔以及進排氣道，因布置緊湊，故水套設計形狀極為復雜；隔板需要承擔氣門反復落座時的沖擊，要求壁厚一些。從鑄造工藝技術可行性分析，缸蓋是典型的薄壁復雜鑄造，缸蓋腔內部砂芯數量多且結構復雜，一般壁厚在3～5 mm，且對力學性能要求較高，故缸蓋的鑄造工藝要求比較高[2]。

1.1 缸蓋鑄造工藝

隨著國內外汽車行業發動機追求功率高，油耗低及輕量化發展趨勢，笨重的鑄鐵缸蓋已不再生產，鋁合金缸蓋以其質量輕的優點被廣泛應用在發動機缸蓋生產中。常見鋁合金缸蓋的主流鑄造工藝方式有金屬型重力鑄造工藝、低壓鑄造工藝以及消失模工藝[3]。

（1）重力鑄造。重力鑄造是指在重力作用下，液體金屬自上向下填充金屬鑄型而獲得鑄件的一種鑄造方法。目前歐美國國家生產鋁合金缸蓋基本上采用重力鑄造，國內車企采用重力鑄造的有一汽、上汽、奇瑞、長安[4]。

（2）低壓鑄造。低壓鑄造是利用氣體壓力或電磁泵將金屬液自下向上壓入鑄型內，并在一定時間以及一定壓力下順序結晶凝固的工藝方法，原理簡圖見圖1[5]，由于在整個鑄造過程中采用的壓力較低，約20～60 kPa，所以稱之為低壓鑄造。日本車企生產鋁合金缸蓋采用低壓鑄造，如豐田、本田、日產等。國內車企采用重力鑄造的有吉利、東安、長安及比亞迪等。

圖1 低壓鑄造工藝示意圖

在缸蓋鑄造工藝方面，美國以及大部分日本汽車企業均有比較成熟的工藝。我國眾多車企都經歷過國產化階段，受日本車企影響，我國鋁合金缸蓋鑄造工藝還是以低壓鑄造為主，故本文某機型3 缸蓋鋁合金缸蓋鑄造工藝也采用低壓鑄造工藝進行生產。

1.2 常見缺陷種類及預防

因鑄件結構復雜，缸蓋毛坯生產后可能產生氣孔、縮松、氧化夾渣及裂紋缺陷[6]，針對各類缺陷，進行如下敘述。

（1）氣孔。氣孔缺陷特征：低壓鑄件壁內氣孔一般呈圓形，具有光滑的表面，一般是發亮的氧化皮，如圖2。可通過X 光透視或機械加工發現。

圖2 鋁合金氣孔缺陷示例

產生原因：水道、氣道砂芯發氣量較大；缸蓋鑄造系統排氣不良；低壓澆鑄工藝參數設置不良。

防止方法：采用低發氣量的覆膜砂進行制芯，嚴格控制砂芯發氣量；改善模具的排氣能力，增加排氣塞；控制保壓時間在300 ～320 s。

（2）縮松。縮松缺陷特征：一般產生在澆口附近，以及鑄件壁厚相差較大的區域內，在鑄件時端口是灰白色或淺黃色，如圖3。縮松可通過X 光、斷口檢查等方法發現。

圖3 縮松缺陷示例

產生原因：澆口溫度過高，澆口過熱引起縮松；澆鑄溫度過低，澆口未完成補縮時，先于主體凝固；鑄造系統內部冷卻不良；澆口補縮不良，補縮通道面積不足。

防止方法：嚴格控制工藝參數，設置澆鑄溫度在675±10 ℃，控制升壓時間在25～30 s；嚴格控制壓縮空氣壓力在0.5±0.05 MPa 左右；增加澆口截面積或澆口數量。

（3）氧化夾渣。夾渣缺陷缺陷特征：氧化夾渣多分布在鑄件的澆口附近，斷口呈灰白色或黃色，見圖4。經X 光透視或機械加工時發現。

圖4 氧化夾渣缺陷示例

產生原因：爐料不清潔，回爐料使用量大于15%；鋁水精煉變質處理后靜置時間不夠。

防止方法：確保回爐料使用量小于15%；精煉后鋁水轉運到保溫爐之前應靜置5 ～10 min；連續生產1 周以上時，應將鑄造爐底部的氧化夾渣清理徹底。

（2）裂紋。裂紋缺陷特征：在體積較大且形狀較復雜的產品中容易出現，筆者的公司的缸體頂面層出現過裂紋現象，如圖5。

圖5 裂紋缺陷示例

產生原因：熱處理時，冷卻速度過快；模具局部過熱。

防止方法：控制淬火水溫在80±10 ℃；確保模具尖角處圓滑過渡。

2 某3 缸缸蓋鑄造缺陷

2.1 產品簡介

圖6 所示的是某3 缸低壓鑄造鋁合金缸蓋，外形尺寸約425 mm×270 mm×130 mm，重量約9.4 kg。缸蓋毛坯采用4 澆口工藝，澆口布置中間燃燒室兩側。因燃燒室是關鍵結構，故設置燃燒室朝下。材料是日本JIS 標準AC4B，采用T6 熱處理，材料成分見表1。

圖6 某3 缸缸蓋毛坯

表1 AC4B 化學成分ω(%)

2.2 產品缺陷匯總

該缸蓋毛坯陸續生產A、B、C 批次各100 件。氣密后，發現每個批次缸蓋產生缺陷如下：

（1）A 批次毛坯缺陷。A 批次毛坯氣門導管孔內部產生缺陷，如圖7，該類型缺陷占比不良率80%（總不良率23%）。

圖7 A 批次導管孔缺陷

（2）B 批次毛坯缺陷。B 批次毛坯火花塞孔密封面產生缺陷，如圖8，該類型缺陷占比不良率78%（總不良率20%）。

圖8 B 批次火花塞孔缺陷

（3）C 批次毛坯缺陷。C 批次毛坯缸蓋螺栓孔產生缺陷，如圖9，該類型缺陷占比不良率82%（總不良率15%）。

圖9 C 批次缸蓋螺栓孔缺陷

2.3 生產對比及分析

從上圖缺陷類型得知，A、B、C 三個批次缺陷類型均為縮松缺陷。將從澆鑄溫度，升壓壓力及時間，保壓壓力及時間，冷卻時長及補縮通道4 個方向進行橫向對比分析。

A 批次生產時，澆鑄溫度680 ℃，升壓壓力28 kPa，升壓時間25 s，保壓壓力30 kPa，保壓時間300 s，冷卻時長90 s，同側兩澆口之間無橫澆道。

B 批次生產時，澆鑄溫度670 ℃，升壓壓力28 kPa，升壓時間25 s，保壓壓力32 kPa，保壓時間320 s，同側兩澆口之間增加橫澆道。

C 批次生產時，澆鑄溫度670 ℃，升壓壓力28 kPa，升壓時間25 s，保壓壓力32 kPa，保壓時間320 s，同側兩澆口之間增加橫澆道，打磨水套砂芯以便增大鋁水流通面積。

2.4 原因鎖定及整改

2.4.1 原因鎖定

經不同批次鑄造工藝橫向對比得知，B 批次（與A 批次相比）適當降低澆鑄溫度、增加保壓壓力及時間并且增加橫澆道，不良率由25%降低至20%；C 批次（與B 批次相比）適當增加保壓壓力及時間、增加橫澆道，并且在不影響冷卻情況下，打磨水套砂芯（進排氣方向尺寸縮短），不良率由20%降低至17%。綜上可知，澆口溫度設置在670 ℃左右，升壓壓力28 kPa，升壓時間25 s，保壓壓力32 kPa，保壓時間320 s，并且一定要適當增加澆道面積才能有效降低不良率。

2.4.2 整改

將原4 澆口方案變更為8 澆口方案，原4 澆口位置不變，在兩側燃燒室兩側再設置4 個澆口，同時缸蓋部分區域進行增加肉厚，以便更好實現補縮。整改后的缸蓋澆口布置如圖10。

圖10 8 澆口缸蓋3D

3 仿真分析

原缸蓋設計時，水套形狀及主體結構均對某4 缸量產機型缸蓋，故生產前的CAE 分析不算完善。本次為減少開發成本，采用AnyCasting 輔助軟件從缸蓋充型流速，充型溫度場，凝固順序以及缺陷預測等方面重新進行模流分析[7]，情況如下：

3.1 邊界輸入

設置初始上模300 ℃，下模400 ℃，升液箱500 ℃，AC4B 鋁液680 ℃，加壓曲線詳見圖11。

圖11 缸蓋模擬加壓曲線

3.2 充型流速

分析顯示，缸蓋鋁液流速（充液壓力）在30 cm/s（25 kPa）以下，整體充型過程中，鋁液流速平穩，充型能力較好，充型情況詳如圖12。

圖12 缸蓋模擬充型良好

3.3 充型溫度場

分析顯示，缸蓋充型過程中，整體溫度在600 ℃左右，上模附近由于有模具冷卻，溫度在580 ℃左右，充型溫度場良好，如圖13。

圖13 缸蓋模擬充型溫度場

3.4 凝固順序

分析顯示，缸蓋實現由上到下的順序凝固，澆口位置溫度高，對凝固過程的補縮效果良好，如圖14。

圖14 缸蓋模擬凝固順序

3.5 缺陷預測

分析顯示，改為8 澆口后，補縮效果良好，缺陷發生的概率約2%，位置在靠近澆口的缸蓋燃燒室處，如圖15。

圖15 缸蓋缺陷位置預測

4 產品驗證

按原4 澆口鑄造工藝參數進行設定，新缸蓋毛坯試生產50 件，加工后成品打壓合格率95%（水套打壓0.2 MPa，油道打壓0.35 MPa，主體打壓0.2 MPa）。火花塞孔、導管孔以及缸蓋螺栓孔處缺陷明顯改善，如圖16、圖17 和圖18。不良率達到了量產要求的5%以內。

圖16 導管孔剖切良好

圖17 火花塞孔缺陷剖切良好

圖18 缸蓋螺栓孔剖切良好

5 結束語

（1）當前鋁合金缸蓋多種多樣，雖然產品外觀，尺寸大體相同，都采用低壓鑄造，但同一套鑄造工藝系統的參數還是需要結合缸蓋內部結構的變化而變化。

（2）低壓鑄造工藝在開發缸蓋過程中，還有很多難點需要克服，每開發一款新產品不可避免，在產品出現問題時，找到有效的整改措施，通過驗證，逐步降低不良率，逐步提升產品質量。

（3）本文對產品出現的缺陷進行匯總，分析并實際驗證，對今后新開發缸蓋、缸體等低壓鑄造鋁合金產品具有很重要的指導意義。