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(jī)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(jì)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(jī)是汽車的心臟，其主要由曲柄連桿、配氣兩大機(jī)構(gòu)及冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、啟動系統(tǒng)及燃油供給五大系統(tǒng)組成。所有機(jī)構(gòu)裝于發(fā)動機(jī)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(jié)構(gòu)、從鑄造導(dǎo)致的缺陷進(jìn)行分析并提出改良工藝。

1 缸蓋主要結(jié)構(gòu)及鑄造工藝

缸蓋是發(fā)動機(jī)總成的重要部件，由燃燒室、高壓油路、進(jìn)排氣道、水套、油池隔板構(gòu)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(fù)沖擊[1]，燃燒室壁厚需盡量設(shè)計(jì)厚一些；缸蓋內(nèi)部有運(yùn)動件，故需設(shè)置高壓油路，對各個(gè)運(yùn)動件進(jìn)行潤滑，故高壓油路不允許滲漏；進(jìn)排氣道橫向布置在燃燒室兩側(cè)為燃燒室提供油氣。為達(dá)到盡可能低的進(jìn)氣溫度，氣道壁相對較薄；水套需要對燃燒室、進(jìn)排氣道以及火花塞孔進(jìn)行冷卻，同時(shí)水套又要避讓回油孔、缸蓋螺栓孔以及進(jìn)排氣道，因布置緊湊，故水套設(shè)計(jì)形狀極為復(fù)雜；隔板需要承擔(dān)氣門反復(fù)落座時(shí)的沖擊，要求壁厚一些。從鑄造工藝技術(shù)可行性分析，缸蓋是典型的薄壁復(fù)雜鑄造，缸蓋腔內(nèi)部砂芯數(shù)量多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般壁厚在3～5 mm，且對力學(xué)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(nèi)外汽車行業(yè)發(fā)動機(jī)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(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在發(fā)動機(jī)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(nèi)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(nèi)，并在一定時(shí)間以及一定壓力下順序結(jié)晶凝固的工藝方法，原理簡圖見圖1[5]，由于在整個(gè)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(nèi)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(jī)型3 缸蓋鋁合金缸蓋鑄造工藝也采用低壓鑄造工藝進(jìn)行生產(chǎn)。

1.2 常見缺陷種類及預(yù)防

因鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)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(jìn)行如下敘述。

（1）氣孔。氣孔缺陷特征：低壓鑄件壁內(nèi)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(jī)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(shè)置不良。

防止方法：采用低發(fā)氣量的覆膜砂進(jìn)行制芯，嚴(yán)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(shí)間在300 ～320 s。

（2）縮松。縮松缺陷特征：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(nèi)，在鑄件時(shí)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(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(bǔ)縮時(shí)，先于主體凝固；鑄造系統(tǒng)內(nèi)部冷卻不良；澆口補(bǔ)縮不良，補(bǔ)縮通道面積不足。

防止方法：嚴(yán)格控制工藝參數(shù)，設(shè)置澆鑄溫度在675±10 ℃，控制升壓時(shí)間在25～30 s；嚴(yán)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(jī)械加工時(shí)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(zhì)處理后靜置時(shí)間不夠。

防止方法：確保回爐料使用量小于15%；精煉后鋁水轉(zhuǎn)運(yùn)到保溫爐之前應(yīng)靜置5 ～10 min；連續(xù)生產(chǎn)1 周以上時(shí)，應(yīng)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(fù)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(shí)，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(cè)。因燃燒室是關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，故設(shè)置燃燒室朝下。材料是日本JIS 標(biāo)準(zhǔn)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(xué)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(gè)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(dǎo)管孔內(nèi)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(dǎo)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(gè)批次缺陷類型均為縮松缺陷。將從澆鑄溫度，升壓壓力及時(shí)間，保壓壓力及時(shí)間，冷卻時(shí)長及補(bǔ)縮通道4 個(gè)方向進(jìn)行橫向?qū)Ρ确治觥?/p>

A 批次生產(chǎn)時(shí)，澆鑄溫度680 ℃，升壓壓力28 kPa，升壓時(shí)間25 s，保壓壓力30 kPa，保壓時(shí)間300 s，冷卻時(shí)長90 s，同側(cè)兩澆口之間無橫澆道。

B 批次生產(chǎn)時(shí)，澆鑄溫度670 ℃，升壓壓力28 kPa，升壓時(shí)間25 s，保壓壓力32 kPa，保壓時(shí)間320 s，同側(cè)兩澆口之間增加橫澆道。

C 批次生產(chǎn)時(shí)，澆鑄溫度670 ℃，升壓壓力28 kPa，升壓時(shí)間25 s，保壓壓力32 kPa，保壓時(shí)間320 s，同側(cè)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?qū)Ρ鹊弥珺 批次（與A 批次相比）適當(dāng)降低澆鑄溫度、增加保壓壓力及時(shí)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(dāng)增加保壓壓力及時(shí)間、增加橫澆道，并且在不影響冷卻情況下，打磨水套砂芯（進(jìn)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(shè)置在670 ℃左右，升壓壓力28 kPa，升壓時(shí)間25 s，保壓壓力32 kPa，保壓時(shí)間320 s，并且一定要適當(dāng)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(cè)燃燒室兩側(cè)再設(shè)置4 個(gè)澆口，同時(shí)缸蓋部分區(qū)域進(jìn)行增加肉厚，以便更好實(shí)現(xiàn)補(bǔ)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(shè)計(jì)時(shí)，水套形狀及主體結(jié)構(gòu)均對某4 缸量產(chǎn)機(jī)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(yù)測等方面重新進(jìn)行模流分析[7]，情況如下：

3.1 邊界輸入

設(shè)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(shí)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(bǔ)縮效果良好，如圖14。

圖14 缸蓋模擬凝固順序

3.5 缺陷預(yù)測

分析顯示，改為8 澆口后，補(bǔ)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(yù)測

4 產(chǎn)品驗(yàn)證

按原4 澆口鑄造工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)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）。火花塞孔、導(dǎo)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(dá)到了量產(chǎn)要求的5%以內(nèi)。

圖16 導(dǎo)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(jié)束語

（1）當(dāng)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(jié)合缸蓋內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(diǎn)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(shí)，找到有效的整改措施，通過驗(yàn)證，逐步降低不良率，逐步提升產(chǎn)品質(zhì)量。

（3）本文對產(chǎn)品出現(xiàn)的缺陷進(jìn)行匯總，分析并實(shí)際驗(yàn)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(dǎo)意義。