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(jīng)濟的持續(xù)高速發(fā)展，越來越多的家庭都能擁有汽車。發(fā)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(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、啟動系統(tǒng)及燃油供給五大系統(tǒng)組成。所有機構裝于發(fā)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(fā)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(huán)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??；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(shù)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(yè)發(fā)動機追求功率高，油耗低及輕量化發(fā)展趨勢，笨重的鑄鐵缸蓋已不再生產(chǎn)，鋁合金缸蓋以其質量輕的優(yōu)點被廣泛應用在發(fā)動機缸蓋生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)鋁合金缸蓋采用低壓鑄造，如豐田、本田、日產(chǎn)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(yè)均有比較成熟的工藝。我國眾多車企都經(jīng)歷過國產(chǎn)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(chǎn)。

1.2 常見缺陷種類及預防

因鑄件結構復雜，缸蓋毛坯生產(chǎn)后可能產(chǎn)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(fā)亮的氧化皮，如圖2。可通過X 光透視或機械加工發(fā)現(xiàn)。

圖2 鋁合金氣孔缺陷示例

產(chǎn)生原因：水道、氣道砂芯發(fā)氣量較大；缸蓋鑄造系統(tǒng)排氣不良；低壓澆鑄工藝參數(shù)設置不良。

防止方法：采用低發(fā)氣量的覆膜砂進行制芯，嚴格控制砂芯發(fā)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?？s松缺陷特征：一般產(chǎn)生在澆口附近，以及鑄件壁厚相差較大的區(qū)域內，在鑄件時端口是灰白色或淺黃色，如圖3?？s松可通過X 光、斷口檢查等方法發(fā)現(xiàn)。

圖3 縮松缺陷示例

產(chǎn)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(tǒng)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(shù)，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(shù)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(jīng)X 光透視或機械加工時發(fā)現(xiàn)。

圖4 氧化夾渣缺陷示例

產(chǎn)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?；貭t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(xù)生產(chǎn)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(chǎn)品中容易出現(xiàn)，筆者的公司的缸體頂面層出現(xiàn)過裂紋現(xiàn)象，如圖5。

圖5 裂紋缺陷示例

產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)品缺陷匯總

該缸蓋毛坯陸續(xù)生產(chǎn)A、B、C 批次各100 件。氣密后，發(fā)現(xiàn)每個批次缸蓋產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(jīng)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(qū)域進行增加肉厚，以便更好實現(xiàn)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(chǎn)機型缸蓋，故生產(chǎn)前的CAE 分析不算完善。本次為減少開發(fā)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(wěn)，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(xiàn)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(fā)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(chǎn)品驗證

按原4 澆口鑄造工藝參數(shù)進行設定，新缸蓋毛坯試生產(chǎn)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）?；鸹ㄈ住Ч芸滓约案咨w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(chǎn)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(chǎn)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(tǒng)的參數(shù)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(fā)缸蓋過程中，還有很多難點需要克服，每開發(fā)一款新產(chǎn)品不可避免，在產(chǎn)品出現(xiàn)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(chǎn)品質量。

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