無缸套鋁缸體壓鑄工藝的研究

1. 前言
鋁是一種輕金屬，密度小(2.79/cm3), 具有良好的強度和塑性，鋁合金具有較好的強度，超硬鋁合金的強度可達(dá)600Mpa，普通硬鋁合金的抗拉強度也達(dá)200-450Mpa，目前已經(jīng)得到抗拉強度大于700Mpa的鋁合金，其比強度可與優(yōu)質(zhì)的合金鋼相媲美，比鋼度甚至遠(yuǎn)高于鋼。鋁具有良好的導(dǎo)熱性，可用作各種散熱材料。鋁還具有良好的抗腐蝕性能和較好的塑性，適合于各種壓力加工。因此鋁合金廣泛的應(yīng)用于機械，汽車各個領(lǐng)域。
汽車引擎已經(jīng)從全鐵材質(zhì)發(fā)展到了全鋁材質(zhì)，其目的是為了減輕車重，而減輕車重意味著可以省油耗。一般使用鋁缸體發(fā)動機，能減輕20公斤左右的重量。而汽車的自身重量每減少10%，燃油的消耗可降低6%～8%。現(xiàn)在汽油機的缸蓋基本上都是鋁合金材質(zhì)，缸體材質(zhì)也已大量的替換成鋁合金材質(zhì)。
但是我們所說的鋁缸體并不完全是全鋁的，幾乎都要使用鑄鐵缸襯或者鋼制的氣缸內(nèi)襯。那是因為現(xiàn)在的引擎，為了降低往復(fù)運動的部件的慣性，提高轉(zhuǎn)速和響應(yīng)速度，活塞大多使用高硅鋁合金作為材料。如果氣缸壁也是鋁的。鋁和鋁之間的摩擦系數(shù)是比較大的，這樣引擎的性能就受很大影響了。而鑄鐵或者鋼制的氣缸內(nèi)襯就沒有這樣的問題。
但是不可否認(rèn)的是，現(xiàn)在一些高端引擎已經(jīng)做到了真正的全鋁材質(zhì)，如Audi 3.1L FSI V6的全鋁缸體，就是沒有使用鑄鐵或者鋼制缸襯，而是通過氣缸內(nèi)壁部分使用了高硅鋁合金來克服降低摩擦系數(shù)。其處理工藝非常貴，不過散熱性能卻得到了很大的提升。
為了真正實現(xiàn)經(jīng)濟可行的無鋼套鋁合金缸體，國內(nèi)一部分公司已經(jīng)率先進(jìn)行高硅稀土鋁合金研制來制造缸體，而且不需要鋼套。這種新材料汽車發(fā)動機缸體與傳統(tǒng)缸體相比，具有降低摩擦功、節(jié)油，優(yōu)化引擎散熱，減少廢氣排放，減輕重量，提高缸體強度，成本降低等優(yōu)勢。
目前某公司的這類缸體已經(jīng)成功下線，而模具正是筆者公司開發(fā)的。筆者主要從缸體成型角度來分析，此類缸體在成型工藝制定時候的難點及要點。
2．鑄件結(jié)構(gòu)分析

該鋁合金壓鑄件的實體模型如圖1所示，外形尺寸445mm x 378mm x 226mm,最大壁出現(xiàn)在缸筒壁，厚達(dá)13.4mm,其余平均壁厚為4mm.，鑄件材料為高硅稀土鋁合金，是一種硅含量在19-21%wt的過共晶AL-Si系列壓鑄合金。其Si晶粒的尺寸控制在50微米以下，該種合金具有很好的流動性、氣密性、抗熱裂性及高耐磨性和低膨脹系數(shù)，適于制作汽車發(fā)動機缸套、剎車塊、泵等零部件材料。
產(chǎn)品質(zhì)量19.2kg。鑄件整體形狀復(fù)雜，結(jié)構(gòu)多變，壁厚不均勻，特別是缸套處由于不采用預(yù)鑲缸套，導(dǎo)致壁厚厚大。




圖1 1.8T 發(fā)動機缸體
3．澆注系統(tǒng)的設(shè)計
澆注系統(tǒng)的設(shè)計包括澆流道的設(shè)計，溢流排氣系統(tǒng)的設(shè)計，冷卻加熱系統(tǒng)的設(shè)計，
首先確定進(jìn)料方式。從產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)來分析，單側(cè)進(jìn)料方式比較適合。這樣的設(shè)計有利于鑄件在澆注過程中的排氣，避免氣體窩在缸筒內(nèi)，而導(dǎo)致最后在里面出現(xiàn)大的氣縮孔。
其次根據(jù)壓鑄工藝及參數(shù)做一些必要的計算，來確定澆道各部分的尺寸。先根據(jù)流量法及一些經(jīng)驗數(shù)值來確定內(nèi)澆口的截面積。


式中：A內(nèi)為內(nèi)澆口截面積mm2；G為通過內(nèi)澆口的金屬液質(zhì)量，包括溢流渣包的質(zhì)量g ；ρ 為液體金屬的密度g/cm3 ；V為內(nèi)澆口處金屬液的流速m/s ；t 為型腔的充型時間S。
鑄件密度取2.7g/cm3；溢流渣包的質(zhì)量取壓鑄件質(zhì)量的30% ，得G=25000 g；對于該缸體，取V=60m/s ，t=0.08s ，計算得到A內(nèi)=2200mm2
鑄件體積為7117cm3，取澆口渣包為鑄件的45% ，則總體積為10319cm3。鑄件在2500T臥室冷室壓鑄機上使用,根據(jù)投影面計算的脹型力為1920T，在安全區(qū)內(nèi)。料筒長度為960 mm,為使料在前期料筒內(nèi)填充不出現(xiàn)紊流卷氣，料筒填充率最好控制在在40%至50%區(qū)間內(nèi)，此處選上限。 故經(jīng)計算取整得到料筒直徑為160 mm。
因為缸體鑄件輪廓大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，常規(guī)的排氣在澆注時很很容易卷氣。而且此缸體鑄件的特殊性，在溢流排氣方面采用真空抽氣方式。真空壓鑄能顯著的減少氣孔，使組織更加致密，提高鑄件的力學(xué)性能。另外減小充型反壓力，成型性能好，使表面質(zhì)量得到改善。如圖（2）所示，鑄件后半部分的溢流排氣集中到一起，最終匯到2塊排氣板上，再由定模側(cè)排氣板抽真空實現(xiàn)模具的抽氣方式。


圖2 真空抽氣方式


模具溫度是影響壓鑄件質(zhì)量的一個重要因素。大多數(shù)形狀簡單，壓鑄工藝性好的鑄件對模具溫度控制要求不高，模具溫度在較大范圍內(nèi)變化仍能制得合格的鑄件。對于復(fù)雜的鑄件，只有將模具溫度控制在狹窄的區(qū)間內(nèi)，才能生產(chǎn)出合格的鑄件。模具溫度控制是通過模具的加熱冷卻系統(tǒng)來達(dá)到的。其主要目的是提高壓鑄件內(nèi)部質(zhì)量和表面質(zhì)量，穩(wěn)定壓鑄件的尺寸精度，提高壓鑄件的生產(chǎn)效率，降低模具熱交變應(yīng)力，提高模具使用壽命。從前面論述的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)來看，缸筒厚大區(qū)域是熱節(jié)區(qū)域，凝固肯定會比其他區(qū)域滯后，故這里需要合理的設(shè)置冷卻系統(tǒng)。如圖（3）所示為缸筒處水冷卻結(jié)構(gòu)。缸筒周壁內(nèi)布置有螺紋型冷卻，冷卻壁厚控制在12mm左右。這樣的設(shè)計能有效的減低此處的溫度，使該區(qū)域的金屬液提前凝固。


圖3 缸筒鑲件水冷方式
4．有限元數(shù)值模擬分析
為了有效的驗證理論數(shù)據(jù)，筆者采用專業(yè)的數(shù)值模擬軟件Magma對鑄件的澆注過程和凝固過程進(jìn)行模擬分析。以下是模擬得到的數(shù)據(jù)截圖。
圖（4）為鑄件在充型過程中分別達(dá)到30% ，50%，70%和90%的狀態(tài)示意圖




圖4 模流充型狀態(tài)
從模擬的數(shù)據(jù)可以得到，進(jìn)料處的流速最快時達(dá)到63m/s左右，與理論設(shè)計值基本吻合。從沖型狀態(tài)可以看出，流態(tài)是中間快，兩側(cè)慢，未出現(xiàn)包氣區(qū)域。流道設(shè)計有利于鑄件的排氣。
圖（5）為鑄件在凝固過程中分別達(dá)到30%，70%，90%和99%的狀態(tài)示意圖。


圖5 模流凝固狀態(tài)
從以上的視圖可以看出4個缸筒和進(jìn)料區(qū)域是后凝固區(qū)域，屬于熱節(jié)區(qū)域，符合原來的設(shè)計初衷。
5．實際澆鑄及調(diào)試
模具完成后，進(jìn)行了第一次調(diào)試，未抽真空，缸筒處的水冷處于工作狀態(tài)。鑄件澆注后的狀態(tài)如圖（6）?？梢婅T件完整，外觀可以。


圖6 首次調(diào)試鑄件
不過解剖之后，在缸筒處內(nèi)部出現(xiàn)分布區(qū)域廣，粗大的氣縮孔，詳見圖（7）。


圖7 首次調(diào)試鑄件內(nèi)部缺陷
經(jīng)過分析，原因為氣未排干凈，4個缸筒處的水冷效果未達(dá)到效果。原因在于在首次調(diào)試階段，沒有用真空抽氣裝置，內(nèi)部的氣體殘留比較多。而且使用的冷卻水壓偏低，為4bar。
筆者有針對性的對前面的調(diào)試結(jié)果進(jìn)行了改善，將排氣板上的排氣總面積從1.32cm2增大到3.08cm2，并使用抽真空裝置。將冷卻水壓控制在8bar。然后進(jìn)行了第2次調(diào)試，進(jìn)行的X光透射如圖（8）。 可以看出，缸筒處的氣縮孔得到了很大的改善，符合鑄件質(zhì)量要求。


圖8 第2次調(diào)試鑄件缸筒處X光透射
4．結(jié)論
綜合以上，隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，無缸套鋁缸體研發(fā)應(yīng)用具有極為重要的意義，它的發(fā)展應(yīng)用會越來越廣。所以材質(zhì)的研究，制備，產(chǎn)品成型工藝的研究也變的尤有意義。產(chǎn)品鑄件在實現(xiàn)大批量生產(chǎn)前，由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的特點，需要不斷的對模具工藝和結(jié)構(gòu)進(jìn)行完善。從筆者開發(fā)的首款國內(nèi)無缸套鋁缸體經(jīng)驗來看，以下幾點需要著重關(guān)注。
1.首要需要解決缸筒處的氣縮孔問題。真空壓鑄和有效的冷卻系統(tǒng)對鑄件缸筒的內(nèi)部質(zhì)量有很大的幫助。
2.由于缸筒處過大的包緊力，往往會對缸筒鑲件造成過大的抽拔阻力，常規(guī)的鑲件容易損壞，對未來的量產(chǎn)帶來影響。 需要設(shè)計合理有效的缸筒鑲件結(jié)構(gòu)，并對其進(jìn)行表面處理，降低表面的摩擦系數(shù)，以使模具脫摸減少對模具的損傷。


作者:姚杰 男 1970年出生 碩士學(xué)歷

現(xiàn)任寧波合力模具科技股份有限公司付總經(jīng)理
中國模具協(xié)會技術(shù)委員會成員
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