浅析低压铸造铝合金气缸盖试制技术要求

作者：张毅

    常用的铝合金气缸盖铸造方法有两种：金属型重力铸造及低压铸造。低压铸造利用气体压力或电磁力将金属液压人铸型，并在一定的压力下结晶凝固，大大提高了补缩效果，铸件的气密性、耐压性都得到了提高。低压铸造还具有金属材料利用率高，易实现高度的机械化、自动化等特点。因此，铝合金气缸盖低压铸造工艺应用越来越广泛。

1  低压铸造铝合金气缸盖

金属型低压铸造铝合金气缸盖见图1。

2低压铸造铝合金气缸盖工艺性结构

  涉及铝合金气缸盖低压铸造工艺性的产品结构主要有：脱型斜度、壁厚、铸造圆角、加强筋等。

2.1脱型斜度

  经过生产检验后的缸盖铸件和砂芯的脱型斜度要求：①为提高砂芯的良品率，砂芯薄壁部位的脱型斜度应≥1.50；②缸盖侧面的粗定位基准（见图2）要求表面光滑平整，为避免脱型时将该表面拉毛，粗定位基准平面脱型斜度应≥0.50；③缸盖表面其他未注的脱型斜度

要求为1.50～2.00。

2.2厚度

  缸盖整体结构上，材料分布要求均匀。经过生产检验后的厚度数值：①缸盖的最小壁厚要求≥4 mm。②砂芯的最小壁厚要求≥5 mm。③发动机运行时，燃烧室承受高温高压气体的冲击，为避免燃烧室在发动机运行时产生开裂现象，燃烧室需有合适的壁厚。普通燃烧室壁厚应≥6 mm，增压缸盖燃烧室壁厚适当增加，当壁厚增加，仍不能满足要求时，考虑采用性能更好的缸盖材料。④缸盖毛坯铸造时，水套与油室隔板被砂芯包裹，充型凝固条件差，内部组织不致密，力学性能不好。因此水套与油室隔板厚度需充分考虑铸造及发动机运行时隔板受力等因素。普通缸盖水套与油室隔板壁厚应≥6 mm，增压缸盖水套与油室隔板壁厚适当增加。

2.3铸造圆角

  缸盖铸件上要求铸造圆角R≥2 mm。

2.4加强筋

  为避免缸盖铸件上产生缩孔、缩松缺陷，需要将厚壁处减薄，并设置加强筋以保证其性能。局部薄弱位置，也需设置加强筋，见图3。

2.5其他结构

  (1)出砂孔  为提高铸件的出砂能力，除前、后端面上（有时仅一个端面）有水套砂芯的出砂口外，在水油套隔板上最好设置2～3个工艺出砂孔。在毛坯浇注时，工艺出砂孔要有利于水套砂芯的排气。

  (2)定位基准为便于铸件检测、给机加预留粗定位的基准，缸盖铸件上需设置1个X基准、2个Y基准、3个Z基准。

  (3)浇口位置浇口的位置及大小直接关系到铸件的充型凝固，因此缸盖燃烧室面上需预留有足够的浇口布置空间。

  (4)补缩通道  为避免缸盖外表面上孤立的柱台类结构、缸盖罩安装螺栓搭子、凸轮轴座附近产生缩孔、缩松缺陷，需设计补缩通道。

3  铝合金气缸盖低压铸造金属型

  良好的低压铸造金属型，在充型时，在具有好的排气，凝固时，还要具有合理的温度场，以保证金属液的顺序凝固。铝合金气缸盖低压铸造金属型见图4。

3.1  金属型材料

  低压铸造缸盖金属型寿命一般要求在10万件以上，对材料要求较高，型腔部位大多选用进口H13钢或SKD61钢等优质耐热钢。对于产品开发试制金属型寿命要求不高，一般在2 000～3 000件即可，因此要求可以相应降低，型腔可选择与H13钢或SKD61钢成分相近的国产材料。

3.2金属型结构

  金属型正常生产或试制时，一般在500～700型次后，就要进行清理喷涂。为方便操作，金属型结构应尽可能简单。

  根据生产实际总结出5点经验：①金属型上的螺栓规格种类尽量少，避免频繁更换拆卸工具，应选择高强度螺栓，避免螺栓高温下产生永久变形，影响拆卸，进而影响金属型的精度；②金属型上的排气塞规格种类尽量少，方便排气塞的更换；③金属型上冷却管路布局合理，冷却出口尽量布置在同一侧，方便金属型的翻转；④导柱设置在上型架，导套设置在下型架。这样布置的好处是：当采用行车装合金属型时，工人可以站立直观地查看、调整导柱与导套的相对位置；⑤上型与上型架连接螺栓在垂直方向的穿入采用由下至上的方式，方便金属型上半部翻转平放时，上型从上型架上拆卸。

3.3定位、限位

  因缸盖的壁厚、形位公差等要求较为严格，故缸盖低压铸造金属型需设计定位、限位系统：砂芯安放、定位装置（见图j）与下型设计为一个整体。采用螺栓连接，可能会因为螺栓的变形、热膨胀等，导致砂芯定位装置的位置发生改变。可同时利用导套柱、下型架对侧型进行左右方向上的限位。发生摩擦的接触面上采用活动块的形式，活动块摩擦损伤后，可以更换。

  侧型合型时，避免靠下型边界对侧型限位，因生产时下型温度较高，如再长期接受侧型对下型的挤压，易产生变形，引起侧型定位的不精确。在导套柱上设置限位块，对侧型向型腔中心的运动进行限位，因导套柱温度相对较低，与下型架的结合牢固可靠，可承受侧型的挤压，保证侧型合型时的精度。

  在下型架的4根导套柱上设计上型合型限位块，保证合型后型腔高度，避免压伤砂芯。通过增厚、减薄限位块的厚度，还可对型腔高度进行微调。限位块变形损坏后还可更换。

  4对导柱、导套设计成圆形结构，在浇注机上，依靠设备精度的保证，金属型可以顺利的开合型，且能实现精确的定位，但金属型拆卸下来后，采用行车开合金属型时，很容易发生导柱卡滞在导套内，上下型无法开合的问题。因此，应避免将导柱、导套全部设计成圆形的结构。

3.4排气

  当铝液自下而上升液、充型时，大量热空气需要通过金属型排气系统排出，排气如不通畅，充型过程中引起“背压”，最终导致浇不足及气孔缺陷。除金属型分型面间隙、合适的金属型型腔表面喷涂外，下述排气方式也需在金属型设计时充分考虑。

  铸件上的凸台、加强筋或其他形状不规则的凸出物，在金属型上对应位置则为深腔，如没有排气措施，充型时气体将无法排除。对于凸台、厚大的加强筋，可在相应位置设计排气塞；对于细长、璧薄的加强筋，可在金属型的深腔处设置排气孔；对于形状不规则的凸出物，可将金属型的相应部位设计为活块的形式，利用活块与金属型本体之间的间隙排气。

  为进一步保证型腔中气体能够顺利排出，可以在金属型型腔表面上设排气槽（见图6）。当顶杆位置有大量气体需要排出时，还需在顶杆的前端设排气槽。

对于形状结构复杂、成型性不好的缸盖，当上型已设置有大量排气通道，但仍无法解决上型憋气问题时，可将上型做成拼块或镶嵌式的结构，结合部位留0.2mm以下的缝隙以利于排气。

  充型时，砂芯被高温铝液包裹，迅速产生大量的挥发气体，一部分挥发气体随铝液继续向上并排出，另一部分挥发气体则需要通过砂芯芯头排出，因此，需要在与砂芯芯头接触的金属型对应位置处设计空腔或安装排气塞（见图7）。

3.5凝固

  缸盖低压铸造时，缸盖自上而下凝固，通过浇口对铸件进行补缩，因此合适的浇口对铸件的凝固至关重要。缸盖低压铸造一般设置2个或4个浇口，浇口的截面一般做成圆形，以减少浇注系统的热损失，保持浇口内的合金较长时间处于液态，提高补缩效率。但部分缸盖因受燃油室面形状的限制，须将浇口的截面设计为不规则的形状，此时浇口热损失比圆形大，浇口最小截面积最好应是浇口附近产品壁厚的2倍以上。

  当采用各种方法确定了浇口数量、形状、大小后，还需通过仿真软件模拟分析，预测铸件内部缩孔、缩松情况，确保浇口方案的合理。

  采用测温热电偶，对缸盖生产的重要部位进行监控，如上型中部、侧型、下型、燃烧室、浇口附近。理想的金属型温度分布是从浇口到上型逐渐降低，金属型各部分具体温度控制范围：上型310～350℃，侧型360～400℃，下型420～460℃，浇口附近480～520℃。温度过低会造成铝液充型能力下降，铸件良品率低；温度过高会延长铸件凝固时间，控制不好还会造成铸件浇口折断、热缩等。

  为获得上述的温度场并提高铸件良品率及生产节拍，需要在金属型上设计冷却系统，对金属型进行强制冷却。冷却位置一般有火花塞型芯、上型、侧型、下型、燃烧室等。冷却方式主要有气冷、水冷，试制阶段，因缺乏经验，一般较常采用气冷方式。

  需注意的细节：①利用金属型的壁厚变化，调整铸型的蓄热能力，控制铸件凝固过程，从而有效实现自上而下的顺序凝固，金属型设计时，将上部壁厚减薄，加快热量散失，缩短铸件上部的凝固时间，下部壁厚增厚，减慢热量散失，延长铸件下部的凝固时间。②火花塞型芯需要设计冷却通道进行冷却。根据缸盖铸件的凝固特点，中间两缸火花塞处的热量大，需要的冷却强度大．两边两缸火花塞处热量较小，需要的冷却强度较小。如因冷却接头的限制，需要将冷却通道进行合并时，应将中间两缸设计为一组，另外两缸为一组。燃烧室处的热量分布与火花塞型芯处的相似，冷却通道的设计与上相同。③对于铸件凝固过程中，出现的孤立液相区，可强制对其进行点冷。在不影响产品性能的前提下，修改产品的结构。

3.6燃烧室、滑块

  缸盖铸件在热处理后，容易发生翘曲变形。在Z轴方向上，燃烧室面可能变成拱形或凹形，1、4缸燃烧室（见图8）相对于2、3缸燃烧室的高度可能上升或下降，机加工后，1、4缸燃烧室容积相比于2、3缸盖燃烧室容积较大或较小。为了达到各缸容积均匀，可以在设计制造时，改变各燃烧室型芯相对于下型平面的高度，实现反变形。

  侧型与下型之间的滑块，采用镶块方式。当滑块损坏时，可以更换。同时滑块上铣出斜的凹槽，避免浮砂对滑块的损伤。侧型拉出后，侧型与下型之间应有足够的空隙，方便残砂、浮砂的排除。

4  低压铸造过程及工艺

4.1砂芯试制

  低压铸造常用的制芯方法有冷芯盒、热芯盒等。其中，覆膜砂热芯盒制芯工艺有如下要求：①覆膜砂来料主要控制覆膜砂的粒度、灼减量、常温抗弯强度、热抗弯强度、流动性、发气量等。②制芯过程中．控制金属型喷涂、金属型温度、烧结时间、射芯压力、射芯时间，金属型喷涂每5～20 min进行一次，金属型温度一般为210～290℃，烧结时间为45～130 s，射芯压力为0.2～0.5M Pa，射芯时间为3～8 s。③砂芯的外表面应光洁、平整，无飞边、无裂纹，无填充不良之处。砂芯烧结后，表面呈现黄褐色。砂芯的内部无烧结不均匀的现象，烧结厚度一般控制在5 mm左右。④制作完成后的砂芯存放时间不宜过长，尽量不要超过两天。

4.2浇注

铝合金气缸盖低压铸造浇注系统见图9。

  要求：①试制生产前，需要对金属型进行一次全面的清理、喷涂，去除表面残留的涂料、铝屑，在金属型型腔表面生成均匀的涂层。金属型喷涂前，金属型预热温度范围为250～400℃。根据缸盖在金属型型腔内的凝固特点，一般情况下，加工基准面、燃烧室型腔表面仅喷涂粒子较小的润滑涂料，涂层厚度≤0.2 mm，其他型腔表面喷涂保温涂料及润滑涂料，涂层厚度≤0.3 mm。在金属型清理、喷涂的同时，还需对浇口杯、升液箱、升液管进行清理、涂刷涂料。②浇注开始前，逐项检查金属型装配、定位、冷却管路、热电偶及液压管路连接是否正确，设备状态，如保温炉压缩气压力是否正常。③设定低压铸造压力一时间曲线（见图10），一般包括升液、充型、结壳、增压、保压、卸压等几个阶段。升液阶段要求铝合金液平稳上升至铸型浇道处，合金液在升液管内的上升速度尽可能缓慢，以便于气体的排除及避免金属液进入浇口时产生喷溅，升液阶段的时间约为10 s，升液压力一般为10～13 k Pa。充型阶段的时间可取17～25 s，充型压力根据铸件顶面到液面的距离，一般取25～30 k Pa。结壳时间为15～30 s。保压阶段压力越大，补缩效果越好，铸件组织愈致密，但不宜过大，如过大将产生铸件粘砂、增大飞边毛刺等缺陷；保压压力一般为充型压力的1. 1～1.5倍，可控制在30～35 k Pa之间。为获得合格的铸件，保压时间也应合理控制，保压时间过长，使生产周期延长，生产率下降，严重时会使升液箱上部“冻死”，使铸件出型困难，增加清理工作量；保压时间不足，易出现缩孔、缩松，严重时浇口部位的铝水会倒流，造成铸件“中空”报废；保压时间约为250～300s。④设定金属型的开合型顺序，并对金属型、升液箱进行预热，当同时达到金属型加热时间至少1 h，升液箱温度400℃以上，铝合金液温度在690～720℃时，才可进行浇注。⑤正式浇注时前2～4件作为工艺报废产品，工艺报废产品浇注时不放置金属过滤网，工艺报废产品的加压时间及冷却时间均比正常生产时的时间要短：正式浇注的产品，均需检查外观，检查铸件是否有充填不良、无砂芯折断、夹砂、孔洞等缺陷，检查顶杆位置是否有凸出或凹陷，毛刺是否在要求的范围内。

5  结  语

  (1)针对缸盖结构，除脱模斜度、壁厚、铸造圆角、加强筋等需满足技术要求外，还需通过模拟分析，消除铸件热节。为减轻工人的劳动强度，需减小螺栓、排气塞的规格，方便金属型拆卸：凭借下型架、导套柱对侧型、上型进行定位、限位，提高金属型精度；设计排气塞、排气孔、排气槽等，保持金属型排气系统通畅；调适金属  型的温度分布、壁厚、冷却通道等，实现顺序凝固。

(2)控制砂芯的烧结、存放时间，减少砂芯在浇注过程中的发气；控制铝合金液的密度、化学成分，确保铝合金液的综合质量；合理设计缸盖的浇注工艺参数。 

6 摘要试制低压铸造铝合金气缸盖时，重点是对产品结构进行分析，优化金属型设计，保证铝合金液的综合质量，确定最佳浇注工艺参数。针对缸盖结构，除脱型斜度、壁厚、铸造圆角、加强筋等需满足技术要求外，还需消除铸件热节，方便金属型拆卸，提高其精度，保持其排气系统通畅，实现缸盖的顺序凝固。