乘用车发动机铝合金缸盖的低压铸造技术

乘用车发动机铝合金缸盖的低压铸造技术
基于成本和力学性能方面综合考虑，扩大铝合金的应用是目前乘用车轻量化，降低油耗的主要手段，如发动机缸盖现已全实现铝合金化制造。尽管铝合金缸盖的生产方法有多种，但主流的制造工艺则是金属型铸造和低压铸造，其中欧洲和中国以金属型为主，而日本、美国则更多采用低压铸造。
相对于重力金属型铸造，低压铸造由于是在压力下充型和结晶凝固，因而具有成形质量好、工艺出品率高等优点，但对于形状复杂、性能要求高的缸盖铸件，则存在着工艺复杂，控制要求高等技术难关。因此本文着重介绍了铝合金缸盖的低压铸造技术及其参数控制要点，以期充分发挥低压铸造工艺的技术优势，生产高质量的缸盖铸件。
2 缸盖的低压铸造工艺要点
2.1 浇注系统实例
缸盖的低压铸造工艺方案一般为一根升液管，多个浇口即多权分流的形式。如4缸缸盖，具有代表性的两种浇注系统即在燃烧室侧是设置2个或4个浇口。图2为2个浇口的工艺示意图，该方案适合于一模一件或一模两件。
2.2合金材料及熔化
铝合金缸盖的材料一般选择AI-Si-Cu系合金如ZL105和107。如果对延伸率和耐腐蚀性有要求，也可以使用ZL101和ZL104。为获得高质量的金属液，标准操作应使用Ar气旋转吹气精炼并加入Sr变质及AJ-Ti-B细化晶粒。
2.3 浇注工艺
2.3.1模具维护
模具的定期清理和保养对于稳定生产高质量的缸盖铸件和延长模具的使用寿命是相当重要的。一般应在每生产500-700件后即进行模具维护，其主要内容是将模具拆开，用软刷清理型腔表面涂料及清除渗入到顶杆间隙、排气孔中的铝屑、涂料颗粒等，确保铸件外形质量、顶出顺利和排气顺畅。
2.3.2涂料
浇注前模具预热至200℃左右喷涂料。缸盖的形状复杂，应特别注意不同部位的涂料厚度不同。一般部位涂料厚度控制在0.1---0.2mm:精度要求高如燃烧室表面应采用颗粒细小的涂料，厚度为O.OSmn。左右;而对于浇口、冒口、内浇道等需要缓慢凝固的位置可适当厚一些，一般为0.5-1 mm左右。
2.3.3过滤网
放置过滤网的目的是防止升液管中氧化物杂质进入型腔及形成层流充填。可采用价格便宜效果良好的镀锌金属网，网线直径叨.4---0.6mm, 1214目。
2.3.4温度
铝液温度对缸盖内部缺陷、外观质量有很大的影响。浇注沮度在680-730的范围内为宜，实际操作中温度偏差应控制在20℃以内。
低压铸造的特点是获得良好的顺序凝固，后此报具温度控制在低压铸适中待别重要。理想的模温分布是从浇口到上模逐渐降低，一改具各部具体表度控制范围为获得.上述温度场及提高缸盖铸件性能和缩短生产周期，必须对上模和侧模实施强制冷却。一般分为水冷和气冷，采用多路设置，每路单独自动控制(流量和压力)。水冷却采用压送式水泵，以解决模具内部因高温汽化产生气阻造成水流不畅的难题，气冷则是通以压缩空气。
因缸盖具有多个浇口，两个浇口之间的距离近会导致位于浇口间的铸件部位温度上升，使浇口和该部位的凝固顺序相反。因此须在此部位设置局部强制冷却，以得到所需的温度梯度。
从模具寿命和安全性考虑，冷却时应以间接冷却为主，在局部铸件厚度较大处可采用直接冷却方法。对于冷却强度有时间控制和温度控制两种方式，时间控制即控制通水或气的时间，该方法简单易行，但精度不高。温度控制则是在冷却位置出设置热电偶，根据热电偶测得的温度大小由PC来开启或关闭冷却水或气，控制精度相对较高。
近年来，凝固数值模拟技术的发展为缸盖的低压铸造工艺优化提供了很好的参考依据，它可充分把握不同条件下的凝固测试结果，强化铸造工艺过程控制，确保铸件质量。
2.3.5加压时间
从充型到浇口凝固的时间称为加压时间，受温度的影响很大。在稳定生产条件下，加压时间虽然因缸盖的重量不同而有所变化，但一般控制在2-8min。若从提高生产效率的角度考虑，可采取一模2件、2段加压等方法缩短时间闭。
2.3.6起模时间
同加压时间一样，因温度的变化而变化。时间短时铸件易变形;时间过长则铸件易卡在模具内，取不出来。所以一般控制在加压时间的1/3左右。为提高铸件冷却速度，起模时可先开脱模阻力小的侧模，冷却一定时间后再开上模。
2.3.7加压曲线
加压压力直接影响到金属液的流动充填性能和补缩效果，加压曲线是低压铸造工艺控制中的重要一环。加压压力可由下式算出:
P=γx(1+S/A) x ΔH x 10-2
上式中P-压力(MPa), γ-铝液比重(2.4-2.5) ,ΔH -铝液上升高度(m), S--升液管截面积(m2), A一型腔截面积(m2)o
冒口的补缩压力一般在0.005-0.01MPa左右。虽然压力大补缩效果好，但如果压力超过0.01 Mpa，会导致涂料剥离、铝液堵塞模具排气孔及渗入到砂芯中。浇注过程中及时排出砂芯燃烧产生的气体是非常必要的，但因缸盖所用砂芯结构复杂、数最多，在模具中设置大量的排气孔很困难。此时，将冒口补缩压力提高到上限附近，可有效防止气体卷入到铸件里面。
柑塌内的液面高度变化影响到加压曲线的重复再现性，因此柑祸内的压力应能自动补偿。对于缸盖铸件，可通过设置传感器，以精确控制加压曲线的零点I81。连续工作加压曲线示愈图如图3所示。
另外，若升液管下端与柑拐底部间的间隔过短加压时溶液易产生紊流流动。因此，在不影响溶液使用的情况下，升液管下端与柑锅底部间的间隔在200mm左右为宜。
3 铸造缺陷与对策
表1列出了低压铸造常见的缺陷及应采取的暇止措施。针对缸盖这样复杂的零件，各种参数的细书波动就可能影响铸件质。因此必须对工艺方案、奄具设计、浇注工艺等各方面进行细致的分析和调查明确缺陷产生的各种原因，在此基础上来采取相应白解决措施。
4 结束语
迄今为止铝合金缸盖是适合于低压铸造的几个有限的汽车零件之一，因此充分发挥其工艺出品率搞、内部质量好的优点，扩大国内低压铸造技术在铝合金缸盖的生产应用，以适应我国轿车工艺快速发展。

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