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1、汽車發(fā)動機氣缸蓋低壓鑄造工藝研究 東安汽車動力股份有限公司鑄造公司 朱昱 摘要 本文綜合分析了采用低壓鑄造工藝生產(chǎn)汽車發(fā)動機氣缸蓋的獨特優(yōu)點，從低壓鑄造設(shè)備、低壓鑄造模具設(shè)計、生產(chǎn)工藝、低壓鑄造生產(chǎn)中常見的問題及對策等多個角度，對低壓鑄造工藝的技術(shù)動向以及今后的研究課題提出了自己的見解。 關(guān)鍵詞 低壓鑄造 氣缸蓋 模具設(shè)計 澆注系統(tǒng) 排氣系統(tǒng) 縮松 微量元素 澆冒口 1 緒 論 隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展和現(xiàn)代汽車制造業(yè)輕量化、節(jié)能環(huán)保要求的不斷提高，鋁合金鑄件在汽車發(fā)動機鍛鑄件中所占比重日益增大，鋁合金特種成形工藝獲得了較快發(fā)展，其中尤以低壓鑄造工藝的應(yīng)用得到了迅速的普及

2、應(yīng)用與推廣。與其它傳統(tǒng)的鋁合金鑄造工藝相比，低壓鑄造工藝有著十分明顯的優(yōu)勢。采用設(shè)計合理的帶有冷卻系統(tǒng)的模具可實現(xiàn)鑄件的順序凝固，鑄件從底部得到澆注和補縮，因此可以不用冒口，鑄件的工藝出品率高（一般在90%以上），由于在壓力下充型，鑄件組織致密，尺寸精度和表面光潔度很好且可以采用砂芯制造出復(fù)雜的缸體、缸蓋類鑄件。低壓鑄造工藝在資源匱乏的日本應(yīng)用十分廣泛，近年來隨著中國汽車工業(yè)的發(fā)展和國際間技術(shù)合作與交流的增強，我國如廣汽本田、東風日產(chǎn)、一汽豐田、重慶長安等廠家紛紛引進低壓鑄造工藝用于生產(chǎn)氣缸蓋鑄件，產(chǎn)品質(zhì)量良好，目前均已形成了較大規(guī)模。 低壓鑄造是液態(tài)金屬在干燥的空氣壓力作用下，沿著升液管由

3、下而上地充填型腔，以形成鑄件的一種方法。由于在整個鑄造過程中采用的壓力較低，所以稱之為低壓鑄造。金屬液是在外力作用下結(jié)晶凝固，進行補縮，它的充型過程不同于重力鑄造及高壓高速充型鑄造（壓鑄），具有以下獨特的優(yōu)點： （1）液體金屬充型比較平穩(wěn)，速度易控制； （2）鑄件成形性好。在壓力下充型，流動性增加，有利于獲得輪廓清晰的鑄件； （3）鑄件組織致密，綜合力學性能高。對要求耐壓、防漏的鑄件其效果更好； （4）工藝出品率高。澆注過程中，壓力卸掉后澆口中未凝固的金屬液回流到保溫爐里再次用于鑄造。 本文中并不就一般低壓鑄造原理和技術(shù)進行研討，只是根據(jù)幾年來東安鑄造公司采用低壓鑄造工藝研制生產(chǎn)氣缸

4、蓋鑄件的經(jīng)驗和體會，參考國外低壓鑄造設(shè)備和生產(chǎn)工藝實踐，對低壓鑄造工藝生產(chǎn)氣缸蓋的若干技術(shù)問題予以討論 2 低壓鑄造設(shè)備 2.1 低壓鑄造機模具安裝結(jié)構(gòu) 為了模具水平開模需要，低壓鑄造機都具有安裝在定模板上的四方向水平芯缸，與上模動模板及模具安裝板形成六方向開模。由于氣缸蓋類鑄件結(jié)構(gòu)特殊，常常有難以出模的火花塞孔、排氣孔等結(jié)構(gòu)，這些部位因厚大致使熱節(jié)十分集中，生產(chǎn)過程中廢品率極高。為解決這一問題，許多廠家采用模具上加裝水冷油缸斜抽芯或油缸驅(qū)動齒輪齒條抽斜銷的形式，這就需要低壓鑄造機上要備有至少1個液壓接口。 2.2 模具快速定位與裝夾 由于氣缸蓋結(jié)構(gòu)和鑄造工藝的特殊性，模具重

5、達1t左右，模具必須充分預(yù)熱、噴涂料、烘烤，模溫高達300～350℃，因此熱模具快速定位與裝夾固定成為一個難題。目前國內(nèi)外的低壓鑄造機均配有各種形式的模具裝夾小車，定位和裝夾一付模具在15 min內(nèi)可以完成。 2.3 低壓鑄造機保溫爐的形式與密封 目前低壓鑄造機保溫爐有爐體密封(采用整體打結(jié)爐襯)和坩堝密封兩種形式。前者由于采用打結(jié)爐襯可防止鋁合金增鐵，且不必頻繁清理、噴刷涂料，優(yōu)化了生產(chǎn)條件，但爐膛內(nèi)空間較大，要有相應(yīng)液面加壓補償裝置。采用坩堝密封則要用鑄鐵或鑄鋼坩堝，長時間保溫容易造成鋁合金增鐵，且每個班次都要清理和更換坩堝。國外低壓保溫爐的爐蓋、加熱器和爐門多采用石墨陶瓷盤根或耐高溫

6、陶瓷纖維繩密封，有標準的密封槽，密封良好，可以不開大蓋，在專用加料口增補鋁水。 2.4 液面加壓控制系統(tǒng) 圖圖2 低壓鑄造機的液面加壓控制系統(tǒng) 1—程序控制器 2—信號放大器 3—干燥空氣源 4—壓力表 5—壓力開關(guān) 6—電控比例閥 7—排氣減壓閥 8—（爐內(nèi)）排氣系統(tǒng) 9—手動閥 10—保溫爐 11—模具 液面加壓控制系統(tǒng)決定著低壓鑄造機的先進性。在實際生產(chǎn)中，由于保溫爐密封不嚴造成漏氣；工廠中供氣系統(tǒng)負荷的變化，空氣壓力的波動；生產(chǎn)進行中液面的下降等，要求該系統(tǒng)應(yīng)具有壓力自動監(jiān)控和自動補償功能，消除外界因素的干擾，以達到跟蹤合理的加壓

7、工藝參數(shù)的能力，因此，液面加壓控制系統(tǒng)成為降低廢品率的關(guān)鍵，是一個最主要的環(huán)節(jié)。目前國外如日本福助、ISUZU、德國GIMA、KURTZ等先進的低壓鑄造機液面加壓控制系統(tǒng)均有以下先進功能：①能以曲線和圖形適時顯示各種工藝參數(shù)和工藝過程；②能記錄、監(jiān)視、診斷、檢查，還能保證工藝參數(shù)的重復(fù)再現(xiàn)性；（3）具有壓力自動監(jiān)控和補償功能，補償范圍為爐內(nèi)液面波動、爐子氣壓泄漏和管道氣壓波動等的影響。（4）加壓壓力控制采用電空比例閥控制，控制精度≥0.5KPa，響應(yīng)時間≤1ms。 目前國內(nèi)低壓鑄造機的液面加壓裝置有很多種，但設(shè)計的各種加壓方案(曲線)只能在控制臺上實現(xiàn)，壓縮空氣被引入保溫爐或坩堝內(nèi)就完全不是

8、預(yù)先設(shè)計的加壓曲線了，鋁合金液體也不能按原來設(shè)想升液、充型和增壓、保壓，最主要原因在于：①穩(wěn)壓閥和大流量減壓閥流量不足；②管路阻力較大；③ 保溫爐內(nèi)空間容積較大。 2.5 低壓鑄造機的升液管和澆口保溫套 低壓鑄造機升液管價廉物美的應(yīng)數(shù)球鐵升液管。在球鐵升液管內(nèi)外噴涂料，每班更換一次，壽命比鋼質(zhì)升液管好，目前在國內(nèi)許多大型鋁輪轂廠均有應(yīng)用，但其壽命短、更換繁瑣，缺點較為突出。升液管使用耐火陶瓷材料作成——陶瓷升液管,具有使用壽命長、防止增鐵等優(yōu)點,但高昂的價格影響了它的應(yīng)用和普及，多從國外進口。為了精確控制澆口部位的溫度，在升液管與模具之間增設(shè)一個中間升液管（喉管），采用鑄鐵材料作成，內(nèi)襯硅

9、酸鈣板等保溫隔熱材料，頂部內(nèi)置高溫電加熱器替代電阻絲和燃汽預(yù)熱裝置，可根據(jù)設(shè)定值自動控制加熱溫度，使保溫套加熱溫度可穩(wěn)定在550～600℃，且壽命可達500h以上。 2.6 壓縮空氣凈化系統(tǒng) 低壓鑄造的澆注及模具冷卻過程均要依靠壓縮空氣完成，而熔融的鋁合金液極易與水份、油發(fā)生反應(yīng)，形成氫溶于合金液中，造成合金含氣量嚴重超標，因此氣體干燥過濾裝置和儲氣罐是絕對必要的，一些廠家忽視氣體干燥，引起鑄件針孔度升級，力學性能下降，且使液面加壓裝置中的澆鑄閥、換向閥生銹，發(fā)生設(shè)備故障。根據(jù)多年的低壓鑄造實踐經(jīng)驗，鋁合金低壓鑄造工藝對壓縮空氣的質(zhì)量要求如下： 表1

10、 低壓鑄造工藝對壓縮空氣的質(zhì)量要求 壓縮空氣雜質(zhì) 級別（ISO8573） 雜質(zhì)含量要求 設(shè)備配置 水份 2 壓力露點－40C，含量<0.11g/m3 微加熱吸附式干燥器 油 5 <10mg/m3(8ppm) LNB精密除油過濾器（過濾精度可達0.4mg/m3） 灰塵 4 <10mg/m3(10m) LJA后置過濾器（過濾精度可達1mg/m3(1 m) 2.7 低壓鑄造機的控制系統(tǒng) PLC采用模塊式結(jié)構(gòu)，能自動完成設(shè)備運行控制、鑄造工藝過程控制、加熱控制、冷卻控制等，能通過控制壓力、時間、溫度等工藝參數(shù)來完成對整個鑄造過程的控制，確保鑄造生產(chǎn)全過程的工藝條件穩(wěn)

11、定。 3 氣缸蓋低壓鑄造模具設(shè)計 3.1 氣缸蓋鑄件工藝性評審 由于氣缸蓋設(shè)計壁厚控制在(3.5～4.5) mm，低壓鑄造氣缸蓋時合金液總是從鑄件底平面澆口引入，流經(jīng)水套芯和進排氣道芯，流向鑄件安裝邊及頂平面，在流動中合金液不斷損失熱量，自然會形成一定溫度梯度，有由遠及近（向澆口部位）的順序凝固趨勢。但若局部壁厚(加上加工余量)大大超過相鄰部位的壁厚，就不能形成遠端安裝邊最先凝固、燃燒室底平面再凝固，最后由澆口部位鋁液補縮鑄件的順序凝固方式,極易在熱節(jié)部位形成縮孔、縮松缺陷，造成產(chǎn)品報廢，因此在鑄件工藝性評審和模具設(shè)計過程中要格外注意這一問題，從模具結(jié)構(gòu)、鑄造工藝、局部強制冷卻等方面采取

12、措施予以克服。 3.2 模具的選材和壁厚 氣缸蓋低壓鑄造模具由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本較高，為保證有較長的使用壽命和較小的熱變形量，型面通常采用優(yōu)質(zhì)模具鋼制造（歐美國家采用H13，日本采用SKD61，材質(zhì)與使用壽命基本相當），而模具結(jié)構(gòu)件均采用優(yōu)質(zhì)球墨鑄鐵。模具設(shè)計時在四個側(cè)模部位模具壁厚要減薄，以減少模具蓄熱能力，提高該處模溫，以形成順序凝固所需溫度場。 3.3 模具的排氣系統(tǒng)設(shè)計 低壓鑄造時由下至上升液、充型，有利于排氣。好的排氣系統(tǒng)設(shè)計會大大提高鋁液的充型能力，減少充型過程中的“背壓”，提高一次澆注成品率。模具上應(yīng)相應(yīng)設(shè)計各種排氣設(shè)施，如：上型模塊采用分體鑲嵌式結(jié)構(gòu)，結(jié)合部位

13、留有0.1～0.2mm的縫隙以利于排氣；頂桿直徑上留O.1mm間隙，并沿周均勻線切割0.2mm的排氣道；分型面、抽芯滑塊上加工間距5mm、深0.1～O.15 mm的排氣道；砂芯采用殼芯，砂芯定位芯頭的后部應(yīng)做成空腔以加強排氣；局部憋氣的地方設(shè)計可方便拆裝清理的柱狀排氣塞，再噴上適當涂料、調(diào)整模溫，可保證鑄件完全充型，不出現(xiàn)氣窩、欠鑄等缺陷。 模具內(nèi)部的空氣、砂芯產(chǎn)生的氣體需要充分考慮分型方法和排氣道，應(yīng)該在盡量減少隨著熔湯充填而產(chǎn)生的背壓的情況下排出去。如果背壓高到影響加壓速度時，會產(chǎn)生熔湯流動不良、表面縮孔等，因此希望控制在0.002Mpa以下。關(guān)于凸臺、加強筋、葉片等形狀的部位，可以考慮

14、嵌入式排氣孔插入模具。在分型面和平面部設(shè)計排氣槽，再加上排氣孔、拉深加工等手段盡量做到排氣良好的設(shè)計。另外砂芯產(chǎn)生的氣體量較大、時間也較長，可以在模具結(jié)構(gòu)上設(shè)計確定的排氣路線，追加吸引機構(gòu)。 3.4 模具的澆注系統(tǒng)設(shè)計 低壓鑄造的澆冒口設(shè)計相對簡單，由于零件結(jié)構(gòu)和工藝方案所限，一般只能在底部安裝孔位置設(shè)計2～4個澆口，為保證充型澆注效果，在允許的條件下澆口直徑可設(shè)計略大一些，同時可設(shè)計環(huán)形的輔助澆道以分流鋁液。由于澆口部位最后凝固溫度很高，不易脫模，有時甚至會產(chǎn)生澆口折斷，因此澆口的出模斜度應(yīng)設(shè)計為5～7。由于氣缸蓋低壓鑄造多采用單升液管經(jīng)升液箱將鋁液分配至多處澆口的形式，因此升液高度和升

15、液管內(nèi)徑非常重要，升液高度過大、升液管內(nèi)徑過小會造成鋁液充型時流速過高，在澆口處形成“噴濺”，嚴重影響型腔排氣，造成成品率降低，且會使砂芯過早潰散形成“粘砂”，因此氣缸蓋低壓鑄造升液管內(nèi)徑一般在100～150mm。 低壓鑄造品的設(shè)計基本要求是將壁厚整體平均化，或是將壁厚的分布考慮容易實現(xiàn)方向性凝固的地方。也就是說對于澆口而言，斷面從小到大逐漸變化是產(chǎn)品設(shè)計的必要條件，因此如果產(chǎn)品的性能上無法進行這種設(shè)計時最好避開使用低壓鑄造法。充分考慮鑄件整體的方向性凝固和澆口周圍的冒口效果的澆口位置、大小、數(shù)量的設(shè)定也是非常必要的。澆口的位置應(yīng)該是鑄件整體的最大壁厚部位，并且要設(shè)在從熔湯前方和上方可能達到

16、方向性凝固的部位。因產(chǎn)品形狀、大小等原因澆口數(shù)量有所差異，但通常是1-4個。在遠離澆口的位置如果壁較厚冒口無法到達時，有時也加上無頂冒口。澆注方案上對這些問題進行為維持方向性凝固的嚴格的溫度控制和條件管理等，根據(jù)情況還可以在成為熱點的部位進行空氣、水等的冷卻。 澆口部位的截面做成圓形是較理想的，但事實上由于產(chǎn)品形狀的限制經(jīng)常是不得不做成不規(guī)則的形狀。在這種情況下為了防止該部分的過冷，最小截面積最好應(yīng)是澆口附近產(chǎn)品壁厚的2倍以上。澆口的高度h比較低時可以得到較大的因澆口處熱量提供和加壓而引起的補縮效果，而且也容易實現(xiàn)方向性凝固，但這是防止氧化物的濾渣網(wǎng)的固定部位，由于因鑄造條件的變動引起澆口長

17、度的變化，因而一般情況下考慮30-40mm較多。 3.5 縮尺與加工余量 縮尺與加工量設(shè)計不當不僅造成鑄件肥厚影響機械加工，更主要會影響鑄件順序凝固次序，造成各種鑄造缺陷。氣缸蓋在全金屬模中低壓鑄造，收縮嚴重受阻，故縮尺比一般鋁合金金屬型鑄造時要小，尺寸精度較高。根據(jù)氣缸蓋的結(jié)構(gòu)和尺寸不同，縮尺一般為0.6%～0.8%左右。加工余量考慮到氣缸蓋要用數(shù)控機床加工，加工余量單面不超過2mm，一般1.5～2mm為好。此外還要考慮涂料厚度，留出0.15～0.3mm。 3.6 模具的引導(dǎo)裝置 低壓鑄造模具由于溫度高、尺寸大且動靜模有較大溫度差，動模與靜模之間一般不能使用圓銷，以避免高溫時“咬死”

18、?？稍O(shè)計方形導(dǎo)柱和開口銷套，銷與銷套材料應(yīng)采用40Cr，以提高耐磨性。 3.7 模具的溫控裝置 低壓鑄造模具應(yīng)設(shè)計有精密的冷卻和加熱裝置，并預(yù)埋熱電偶配合計算機控制，方可實現(xiàn)鑄造條件的穩(wěn)定，使鑄件保持高品質(zhì)。低壓鑄造模具通常在上型中部、側(cè)型、下型二三燃燒室之間、澆口附近及升液箱蓋板等五處設(shè)置有測溫熱電偶，可實現(xiàn)對低壓鑄造生產(chǎn)中的重點部位溫度控制。 為了改善內(nèi)部品質(zhì)（強化方向性凝固）、縮短鑄造周期，可以進行上型和橫型的冷卻（水冷、風冷或霧冷，一般冷卻模具整體的線式冷卻比較多）。開始低壓鑄造作業(yè)初期，由于缺乏經(jīng)驗，只需采用風冷，隨著鑄造作業(yè)條件的穩(wěn)定，可逐步進行霧冷和水冷的試驗，但在模具準備

19、過程中要特別注意接口部位的測漏工作。水冷應(yīng)用得好，可大大提高生產(chǎn)效率縮短鑄造周期。 3.7.1 中間升液箱溫度控制 采用自動電加熱控制，第一模澆注時升液箱溫度應(yīng)控制在520℃以上，以后控制在580℃左右時開始下芯作業(yè)，溫度過低時，容易被“凍死”。 3.7.2 澆注溫度的控制 鋁水澆注溫度一般控制在700℃10℃，在不影響鑄件充型的前提下可將澆注溫度適當降低，可減少厚大部位縮孔的產(chǎn)生及“粘砂”，縮短鑄造周期。 3.7.3鑄型溫度的控制 低壓缸蓋模具一般在模具上型為35020℃左右，側(cè)型為38020℃左右，下型為44020℃左右，澆口附近為50020℃左右，溫度過低會造成鋁液充型能力下

20、降，成品率低，溫度過高會延長鑄件固化時間，控制不好還會造成鑄件澆口折斷、。 3.7.4鑄件凝固溫度場的計算機數(shù)值模擬。 目前國內(nèi)外在模具設(shè)計制造過程中應(yīng)用專業(yè)軟件對鑄件充型、凝固過程進行數(shù)值模擬，輔助進行工藝設(shè)計與優(yōu)化十分普遍，可大大縮短模具開發(fā)定型周期，提高模具制造質(zhì)量，目前國際上應(yīng)用較為廣泛的有美國ProCAST、德國MAGMA 、韓國Anycasting軟件等。 圖3 采用MAGMA軟件對4G1氣缸蓋凝固過程進行的數(shù)值模擬與實際缺陷對比 4 低壓鑄造氣缸蓋的生產(chǎn)工藝 E C D B A O t1

21、 t2 t3 t4 t5 s KPa P3 P2 P1 圖4 澆注工藝曲線 P1—升液壓力 P2—充型壓力 P3—增壓壓力 低壓鑄造生產(chǎn)工藝就是將低壓鑄造機、模具與合金材料三大要素有機結(jié)合的過程，這些因素之間關(guān)系密切，且相互影響和相互制約。低壓鑄造的主要工藝參數(shù)有：壓力、時間（速度）、溫度，關(guān)鍵過程有：制芯、模具準備、合金熔煉、澆注，這些工藝參數(shù)與關(guān)鍵過程的合理控制與管理是保證鑄件質(zhì)量的關(guān)鍵，同時也直接影響生產(chǎn)效率和模具壽命。 4.1 澆注工藝參數(shù)的確定 低壓鑄造的核心在于澆注工藝。根據(jù)缸蓋鑄件的特點，在燃燒室平

22、面開設(shè)2～4個澆口，同時進鋁液澆注。在升液管與模具之間增設(shè)一個中間升液管，分配鋁水進入澆口。 低壓澆注過程一般包括升液、充型、增壓、保壓、卸壓、冷卻幾個階段。低壓澆注的主要工藝參數(shù)有壓力、溫度和時間，其中壓力是最基本的工藝參數(shù)，對澆注過程及鑄件質(zhì)量的影響最大。低壓鑄造中，如果鑄型內(nèi)排氣順利，則壓力每上升0.001Kg/cm2，升液管內(nèi)的鋁液就上升4mm。經(jīng)過試驗，澆注工藝曲線如圖4所示，工藝參數(shù)見表2。 （1）O-A升液階段——鋁液沿著升液管平穩(wěn)上升到鑄型澆道處。 P1= 液面到中間型腔的高度－50mm 41000 ΔT1由鑄造機空壓控制輔助閥門的能力

23、決定。（國外低壓鑄造機保溫爐M/C在0.15Kg/cm2的程度，閥門在最大能力下，ΔT1設(shè)定為約7秒；考慮到①熔液液面高度公差：目測、傳感器中的鋁附著……20 mm；②氣壓控制公差（正常工作時） 切換時間下0.005Kg/cm2=20 mm；③反饋管路中的雜質(zhì)、輔助閥門的不暢通等的影響0.002Kg/cm2=8mm，計算公差設(shè)定為－50 mm）。 （2）A-B充型階段——鋁液由澆道進入型腔，將型腔充滿。充型速度過大，加劇紊流，會產(chǎn)生包氣、氧化夾渣，鑄件可能會出現(xiàn)輪廓不清的缺陷；速度過低，影響充填性，會造成澆不足、冷隔等缺陷。 P2=P1+ 50+液面到中間型腔的高度+鑄件高度+200

24、 41000 ΔT2= 7 （P2-P1） 1000 (升壓速度基本定為0.007Kg/cm2/sec) （3）B-C增壓階段——充滿型腔后再繼續(xù)增壓，使鋁液在壓力下結(jié)晶凝固。壓力越大，補縮效果越好，鑄件組織愈致密。但壓力過大，易造成跑火；壓力過小，鑄件可能會有縮孔、縮松、致密度低等缺陷。 增壓壓力 P3 = P2＋5（KPa），增壓時間 △T3 = 5～10( s ) 表2 澆注工藝參數(shù) 參 數(shù) 階 段 時 間 （s） 壓 力 （KPa） 加 壓 速

25、 度 （KPa/s） O—A升液階段 ΔT1 P1 V1 = P1/ΔT1 A—B充型階段 ΔT2 P2 V2 =（P2－P1）/ΔT2 B—C增壓階段 ΔT3 P3 V3 =（P3－P2）/ΔT3 C—D保壓階段 ΔT4 P3 —— D—E冷卻階段 ΔT5 0 —— 表中 ΔT1—升液時間 ΔT2—充型時間 ΔT3—增壓時間 ΔT4—保壓時間 ΔT5—冷卻時間 （4）C-D保壓階段——鋁液在壓力下，完成由液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變,保壓時間過長，使生產(chǎn)周期延長，生產(chǎn)率下降，嚴重時會使升液管上部“凍死”，使鑄件出型困難，增加清理工作量；保壓時間

26、不足，易出現(xiàn)縮孔、縮松，嚴重時澆口部位的鋁水會倒流，造成鑄件“中空”報廢。在低壓鑄造中加壓時間為持續(xù)加壓中完成鑄件最終凝固部位的凝固，等到可以取出澆口（凝固90%以上）時，持續(xù)加壓結(jié)束。 保壓時間 △T4 = 180～220 ( s )， 保壓壓力為 P3 （5）D-E卸壓冷卻階段——卸壓指鑄件凝固完成后，立即卸掉液面加壓壓力，使升液管和澆道中尚未凝固的鋁液回落到保溫爐中，排氣時間為待鑄件內(nèi)部鋁液溫度達到澆口上面560℃、澆口鐵絲網(wǎng)部 590℃時結(jié)束加壓保持，然后排氣。冷卻指壓力卸掉后，鑄件留在模具中的過程。冷卻時間根據(jù)鑄件厚度及重量而定。冷卻時間過短鑄件會變形、開裂。冷卻時間是從卸壓

27、后開始計算?！鱐5 = t5－t4 = 160 ( s ) （6）安置澆口濾渣網(wǎng) 此工序的目的為了防止從升液管進來的氧化物、砂子等雜物以及加強鋁液充型時 的層流化，減少紊流以利于平穩(wěn)充型。把做成澆口形狀的成型鍍鋅鋼絲網(wǎng)（線徑0.4-0.6mm，12-14個網(wǎng)孔）用專用夾具固定在澆口部位，這樣做采用人工安置的比較多，但也可以試一試進行自動化設(shè)計或給湯管內(nèi)吹惰性氣體等方法。 4.2 制芯工藝 采用任何常用的制芯工藝如殼芯、冷芯盒、熱芯盒等制造的砂芯都可以用于低壓鑄造。目前國內(nèi)引入日本的生產(chǎn)工藝，多采用覆膜砂熱芯盒工藝制芯，進排氣芯采用KC600型全自動垂直分型殼芯機生產(chǎn)，兩面翻轉(zhuǎn)射砂，模具

28、上裝震動器，可射制壁厚在2～3mm的中空殼芯，水道、油道砂芯形狀復(fù)雜，尺寸較大，厚薄不均，采用KA600型全自動水平分型熱芯盒制芯機生產(chǎn)，一模兩件。同其它鑄造方法一樣，砂芯必須固化充分，金屬型上有必要的排氣結(jié)構(gòu)，以避免在鑄件里產(chǎn)生氣體方面的鑄造缺陷。對于氣缸蓋類復(fù)雜鑄件通常使用預(yù)組裝的芯組（如圖5）， 可以快速地插放到金屬型內(nèi)，簡化操作，縮短 鑄造周期。 低壓鑄造對于制芯用覆膜砂質(zhì)量要求較高， 既要求有適宜的粒度，又要有較高的熱強度和 較低的發(fā)氣量，需要根據(jù)實際生產(chǎn)情況進行摸 索調(diào)整， 圖5 預(yù)組裝的芯組 4.3 模具涂料選擇及噴涂工藝 人們常講 “三分澆注、七分

29、準備”，對于 低壓鑄造生產(chǎn)而言，由于模具重量大、拆裝困難，要求有較長的連續(xù)生產(chǎn)周期，因而模具涂料的選擇及噴涂工藝的掌握至關(guān)重要。 4.3.1型腔涂料的選擇與噴涂 型腔底層涂料使用日本Acheson 金屬模脫膜劑Prodag（石墨基），澆口和燃燒室使用日本Acheson低壓鑄造涂料Dag 632，型腔充分預(yù)熱至23010℃，取出后在模具保持19010℃時將涂料稀釋后用噴槍均勻噴涂，噴槍距型腔之間一般保持150～200mm。為提高涂層的粘附強度，噴涂完畢后模具須在51010℃保溫1.0～1.5小時。 圖6 低壓鑄造生產(chǎn)中模具噴涂的一般工藝流程 4.3.2升液管涂

30、料的選擇與涂刷 升液管（包括中間升液管）使用日本Acheson涂料Dag696。預(yù)熱至200C左右時，用毛刷均勻涂刷，一般需刷2～3次，每次涂刷完畢后需充分烘烤。 4.3.3 涂料噴涂時模具溫度控制及涂層 模具噴涂時要考慮鑄型的大小或壁厚、溫度分布均勻，充分進行預(yù)熱。模具取出后要使用表面溫度計，在鑄型的各個部位測幾次，確認鑄型表面溫度是否在20010℃。涂層順序為：①在整個鑄型上薄薄地噴一下底層涂料；②從鑄型的突起部位、薄壁部位等容易冷卻的部位開始再精心噴涂。如果模具溫度低，則噴涂時涂料的水分蒸發(fā)少，導(dǎo)致模具表面潮濕，無法保證粗糙度；如果鑄型表面溫度更低，就出現(xiàn)平滑的涂層，導(dǎo)致模具內(nèi)

31、透氣性差，預(yù)熱時出現(xiàn)涂層膨脹、脫落現(xiàn)象。為防止鑄件局部縮孔、縮裂，可將模具局部涂料刮掉或減薄，加速冷卻。 在噴涂復(fù)雜的模具時，需要熟練地進行操作，但為了保持穩(wěn)定的上涂料的效果應(yīng)盡快使操作標準化，涂層厚度粗糙度等因部位不同而存差異。一般而言，工作面是0.1-0.2mm，光潔度要求高的加工基準面，燃燒室面等應(yīng)用粒子細小的涂料涂0.05mm的厚度，涂料一般利用市場上的，基本構(gòu)成是骨材（碳酸鈣、陶土、氧化鋁、云母、石墨等）、粘接劑（硅酸鈉）和水等。 4.4 合金熔煉工藝 氣缸蓋低壓鑄造多采用AC4B牌號鋁合金（日本JIS5202技術(shù)標準）鑄造，材料成份類似于我國ZL106合金，但略有差異。該鋁合

32、金為亞共晶鋁硅系合金，鑄造性能優(yōu)良，綜合力學性能高，冶金質(zhì)量穩(wěn)定成本較低，經(jīng)（48010）C、1～2小時的熱處理后抗拉強度可達155 Mpa以上，延伸率達1.0%以上。 4.4.1 熔化工藝 采用MHII-N-2000/1500型高效燃汽熔鋁爐進行合金的集中熔化，該爐為三爐一體ETAmax式結(jié)構(gòu)，LPG加熱系統(tǒng)，預(yù)熱、熔化、保溫區(qū)分別獨立，效率高，且爐料可利用廢氣充分預(yù)熱，熱效率>55%，即使加入潮濕、不潔的爐料也不會影響合金液的熔煉質(zhì)量，安全性高，熔化過程中合金的燒損僅在（0.5～1.5）%，鋁水出爐溫度為（740C5）C。 4.4.2 精煉工藝 電加熱石墨坩堝轉(zhuǎn)水保溫爐或燃汽預(yù)熱轉(zhuǎn)

33、水包內(nèi)精煉處理，鋁液精煉保溫溫度為（7205）℃，在此溫度下進行除渣、除氣。采用FOSECO公司FDU旋轉(zhuǎn)除氣裝置，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速300～350rpm，氬氣純度為99.60%，壓力0.3MPa，流量15～20L/min，除氣時間設(shè)定為10分鐘，現(xiàn)場檢驗合格（含氫量0.2ml/100g，含渣量K1/20）后轉(zhuǎn)入低壓鑄造機的保溫爐里。 4.4.3 合金的金相組織 AC4B合金為亞共晶型鋁硅系合金，含硅量為(7～10)%，顯微組織為a相＋共晶硅，由于未進行變質(zhì)，共晶硅呈短桿狀或針狀，由于 合金含硅量較高，又加入了微量的Ti、Mn，使 得合金的鑄造性能和高溫性能優(yōu)良，氣密性、 耐蝕性也較好，適

34、合于砂型及金屬型鑄造。目 前在氣缸蓋低壓鑄造工藝生產(chǎn)中多采用AC4B合 金，無需進行變質(zhì)處理即可獲得優(yōu)良的機械性 能和高品質(zhì)的鑄件。 圖7 AC4B合金顯微金相組織 100X 4.4.4合金的凝固區(qū)間 對于AC4B合金，其凝固范圍為（516～604）C。在604C合金中的鋁開始凝固，565CAl-Si共晶相出現(xiàn)并凝固，545C出現(xiàn)Al-Si-Cu三維共晶，516C出現(xiàn)不純物等多元共晶。掌握好氣缸蓋鑄造凝固過程中鋁合金的溫度變化，可優(yōu)化模具鑄造方案，確保鑄件從凸輪軸室向澆口方向順序凝固，提高鑄件品質(zhì)。 5 低壓鑄造生產(chǎn)中常見的問題及對策 5.1 澆口折斷 防止方法：

35、保持澆口襯套的高溫（Min.450℃）；不應(yīng)將加壓結(jié)束后的冷卻（排氣）時間隨意加長。為了保持澆口襯套部位的溫度，盡量應(yīng)縮短鑄件取出搬運、模具吹掃及下芯時間并保持穩(wěn)定（目標時間max.120sec）。在剛開始投產(chǎn)時，澆口部位極易發(fā)生型腔堵塞、澆口斷裂現(xiàn)象，因此特別要注意在澆注的前1～3件設(shè)置澆注參數(shù)為“冷?！睜顟B(tài)，不要設(shè)置過濾網(wǎng)。 5.2 縮孔 防止方法：①鑄造作業(yè)的標準化，根據(jù)溫度進行加壓、凝固條件的自動設(shè)定，鑄造條件的穩(wěn)定；②根據(jù)澆口、給湯管面積的擴大增加熱量，根據(jù)上型冷卻增加溫差坡度，緩和壁厚急變（加圓角、增加對下型的壁厚） 5.3 升液管開裂（漏氣） 判斷方法：因升液管放置在

36、保溫爐內(nèi)，無法觀察，只能靠經(jīng)驗加以判斷，如根據(jù)鑄件的成型缺陷進行分析，具體方法為：①當模具溫度、鋁液溫度都足夠高的情況下，鑄件還是出現(xiàn)澆不足缺陷。這是由于升液管漏氣，使正常的模具排氣塞無法排除來自爐內(nèi)的氣體，造成型腔充氣，而鋁水無法充滿；②澆口處有嚴重的氧化夾雜物或出現(xiàn)不飽滿的現(xiàn)象，這是由于高溫狀態(tài)下的空氣和液態(tài)金屬長時間的混合流動造成的。 防止方法：①定期清理升液管表面氧化渣、噴刷涂料，噴刷時力求均勻；②清理中仔細檢查升液管是否有裂紋存在。 5.4 流動性不良 防止方法：①保持適宜的合金澆注溫度；②提高模具上型溫度； ③檢查控制面板的加壓曲線是否有異常；④確認模具排氣塞、氣道的暢通；

37、⑤確認澆口部位無鋁氧化物的殘留，氧化物多的時候，用鋼棒等清除澆口內(nèi)壁，并涂刷耐高溫涂料；⑥確認模具型腔涂層是否損傷或脫落，可再次進行補噴。 5.5 鑄件出型困難（升液管內(nèi)部分金屬液凝固） 形成原因：由于保壓時間過長、模具溫度太低、鋁液溫度太低造成的，一般易在首件生產(chǎn)中發(fā)生。 防止方法：剛開始生產(chǎn)時，由于模具溫度不均勻且偏低，保壓時間應(yīng)盡量縮短，寧可讓鑄件內(nèi)的部分金屬倒流回保溫爐中，一般生產(chǎn)3～4件后，模具溫度處于正常。 處理辦法：立即停機，卸下模具，盡快打開模具取出鑄件（可以采用液壓千斤頂或氣焊槍等工具），將模具清理干凈，恢復(fù)正常生產(chǎn)。 6 低壓鑄造工藝的技術(shù)動向及今后的課題 低

38、壓鑄造法從被大量使用以來已有30多年了，現(xiàn)在已確立了生產(chǎn)鋁合金鑄件的重要工藝方法之一的地位。特別是在氣缸蓋的鑄造生產(chǎn)中的作用巨大，今后低壓鑄造仍會是氣缸蓋的主流鑄造工藝方法之一。 從空冷小型發(fā)動機的氣缸蓋開始，到水冷化、多氣缸化、功能的擴大、DOHC化和材料重量的增加，并且氣缸蓋的形狀和結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，鑄件壁厚變化也在加大，鑄造的難度也隨之增加，同時為了降低成本提高生產(chǎn)效率，國外許多高水平的鑄造廠已實現(xiàn)了1模2件、更換模具時工序改進、動模速度提高和與后處理工序的結(jié)合等，模具冷卻控制和澆注過程中的加壓控制等技術(shù)也在逐年提高，目前已出現(xiàn)了包括砂芯的搬運和組裝在內(nèi)的完全自動化低壓鑄造生產(chǎn)線，這同時

39、也將操作者從高溫作業(yè)中解放出來，改善了作業(yè)環(huán)境。 根據(jù)以上討論的內(nèi)容，我們可以考慮以下氣缸蓋低壓鑄造技術(shù)的課題： ①提高鑄件強度（如何對下型進行冷卻是重點，但以往的技術(shù)在低壓鑄造中很難應(yīng)用，所以認為氣缸蓋更適合采用重力鑄造，目前在歐美國家氣缸頭的主要鑄造法仍是重力鑄造法，低壓鑄造工藝必須要解決鑄件下型冶金質(zhì)量問題）； ②生產(chǎn)效率的提高（提高控制技術(shù)、后處理線的同步化、全自動化生產(chǎn)線的推進，考慮到鑄件的高強度化和高生產(chǎn)性化的要求，條件控制會變得比現(xiàn)在復(fù)雜，因此緊湊的自由度高的生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)可以保持綜合的高水準鑄造品質(zhì)。）； ③縮短產(chǎn)品開發(fā)時間（需要在設(shè)計初期階段積極運用CAE技術(shù)，進行凝固流動解析、鑄件應(yīng)力解析，優(yōu)化模具方案）； ④鑄造操作技能的延續(xù)（模具噴涂、鑄造條件的調(diào)整與控制等的掌握是最緊迫的項目，越是推進生產(chǎn)線的自動化和無人化，這個問題越顯得重要。由于低壓鑄造很難定量數(shù)據(jù)化，而且與經(jīng)驗有關(guān)的項目較多，所以進行專業(yè)化技能培訓(xùn)是很重要的，同時為了達到定量化控制而進行的低壓鑄造工藝與材料的基礎(chǔ)研究和開發(fā)也同樣重要）。 11