鋁合金壓力鑄造技術(shù)在發(fā)動機試制中的應(yīng)用

周黎明　戴維　楊仁康

摘 要：結(jié)合發(fā)動機開發(fā)過程，系統(tǒng)介紹鋁合金壓力鑄造技術(shù)在發(fā)動機試制中的應(yīng)用，在依據(jù)壓鑄生產(chǎn)工藝基本原則的情況下，根據(jù)實際情況，簡化或調(diào)整了部分內(nèi)容，以適應(yīng)試制工作的要求。

關(guān)鍵詞：鋁合金；壓力鑄造；發(fā)動機試制

1 前言

當發(fā)動機整機設(shè)計和零部件設(shè)計基本完畢之后，開發(fā)企業(yè)要進行少量的樣件的試制，樣件試制的主要目的有 1）驗證產(chǎn)品設(shè)計的合理性2）驗證工藝的可行性3）整機裝配驗證4）進行基本性能試驗及可靠性試驗。樣件的試制不同于大規(guī)模的工業(yè)化制造，試制工作不追求節(jié)拍、生產(chǎn)效率，有時甚至可適當放寬對合格率的要求，但對制作周期、樣件質(zhì)量有著苛刻的要求。為了滿足這些目的，同時又要符合短周期、高質(zhì)量的要求，就需要對試制工藝的制定進行嚴格把關(guān)。

目前發(fā)動機氣缸體、氣缸蓋、進氣歧管、發(fā)動機懸置支架、油底殼、鏈殼、凸輪軸支座等零件廣泛使用鋁合金材質(zhì)，毛坯的成型工藝包括壓力鑄造、砂型重力鑄造等，本文將系統(tǒng)介紹鋁合金壓力鑄造技術(shù)在發(fā)動機試制中的應(yīng)用。

2 鋁合金壓力鑄造技術(shù)的特點

壓力鑄造技術(shù)是目前鑄造生產(chǎn)中技術(shù)含量較高的先進鑄造技術(shù)之一，高速充型和高壓凝固時壓力鑄造時液態(tài)金屬充填成型的兩大特點，也是壓力鑄造工藝與其他鑄造的最根本區(qū)別。鋁合金壓力鑄造是在壓鑄機的壓室內(nèi)，澆入液態(tài)的鋁合金，使它在高壓和高速下充填型腔，并且在高壓下成型和結(jié)晶而獲得鑄件的一種鑄造方法，壓鑄工藝的主要優(yōu)點[1]。

（1）壓鑄件尺寸精度高、表面粗糙度低。壓鑄生產(chǎn)使用非常精密的壓鑄模，可以生產(chǎn)出尺寸精度高、表面粗糙度非常低的壓鑄件，且尺寸穩(wěn)定、互換性好。壓鑄件尺寸精度一般可達IT11～IT13，有時可以達到IT9級。表面粗糙度參數(shù)Ra值一般在0.8～6.3μm之間，最低可達0.4μm。一般壓鑄件在清理飛邊毛刺后不經(jīng)機械加工或僅對個別部位少量加工即可使用。

（2）可壓鑄薄壁復(fù)雜鑄件。在高速高壓下，液態(tài)金屬的充型能力及壓實效果大大提高，因而可以生產(chǎn)出薄壁、復(fù)雜、輪廓清晰的壓鑄件。鋁合金壓鑄件最小壁厚可達

0.5mm，壓鑄件最小鑄出孔徑可達0.7mm。

（3）壓鑄件的表面硬度和強度高。由于壓鑄模具的激冷作用，壓鑄件能快速凝固，使表面層組織比較致密，表面硬度和拉伸強度都較高，其中拉伸強度比砂型鑄件高 20%～30%。

（4）壓力鑄造生產(chǎn)時易在壓鑄模上設(shè)置定位機構(gòu)，滿足某些鑄件局部特殊性能的要求，進行帶有鑲件的壓鑄件生產(chǎn)。

由于充型速度快，空氣難以排出，容易被壓碎為細密的氣泡殘留在鑄件。而高溫會使壓鑄件內(nèi)部氣孔中的氣體發(fā)生膨脹，使鑄件表面發(fā)生鼓包等現(xiàn)象，因此一般壓鑄件不能進行高溫熱處理，但針對某些零件如缸體，可根據(jù)使用情況進行 T2熱處理，確保消除鑄造殘余應(yīng)力。

3 壓力鑄造生產(chǎn)過程

壓力鑄造生產(chǎn)過程是壓鑄合金、壓鑄模具、壓鑄機器的聯(lián)合體，這是壓力鑄造的三要素。

壓力鑄造的主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)及工藝過程如圖1所示，包括壓鑄模具設(shè)計制造、壓鑄生產(chǎn)準備、合金熔化、壓鑄機上實施生產(chǎn)及壓鑄件清理與質(zhì)量檢驗五個主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

3.1 壓鑄模結(jié)構(gòu)及使用壽命

試制模具相比于量產(chǎn)模具在結(jié)構(gòu)上無太多簡化之處，只是在模具選材及模具壽命上有所差異。壓鑄模具由各種模板構(gòu)成模具框架，靠導(dǎo)柱、導(dǎo)套導(dǎo)向；動模型芯、定模型芯分別鑲配在動模框架和定?？蚣軆?nèi)；卸料部分由復(fù)位桿、推桿、推桿固定板、推桿底板構(gòu)成。對于試制模具，由于使用不頻繁，可不制作熱油道。

壓鑄模由定模和動模兩部分組成，試制模與量產(chǎn)模機構(gòu)基本相同，壽命不超過 3萬件；對于支座等小零件，出于生產(chǎn)效率的考慮，量產(chǎn)模具設(shè)計時一般考慮一模多腔，但試制時，一般僅考慮一模一腔，這樣模具的尺寸、費用都等將得到很好的控制。

隨著工藝仿真技術(shù)應(yīng)用范圍不斷擴展，若具備相應(yīng)的能力，在工藝設(shè)計和模具設(shè)計過程中，須進行CAE鑄造工藝分析，以確保進料系統(tǒng)、排溢系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)設(shè)及工藝參數(shù)計的合理性，以減少試制周期和降低試制風險，具體的模擬仿真分析項目見表3。

3.2 合金熔煉

發(fā)動機鋁合金壓鑄件的材料一般為 ADC12，相當于中國國產(chǎn)的合金代號 YL113，執(zhí)行標準GB/T 15115-2009。

壓鑄模設(shè)計制造壓鑄生產(chǎn)準備壓鑄機上實施生產(chǎn)壓鑄件清理與質(zhì)量檢查合金熔煉是壓鑄過程一個重要環(huán)節(jié)，金屬以固態(tài)變?yōu)槿廴跔顟B(tài)的合金液，這是一個復(fù)雜的物理和化學反應(yīng)過程，它在不同程度上影響合金的化學成分、物理和化學性能，以及機械和鑄造性能，遵循正確合理的工藝規(guī)程進行合金熔煉，是獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的先決條件。

熔煉時不可避免的要加入一定量的舊料，新舊料的配比>1：1。通過除渣、除氣、精煉和變質(zhì)處理等，使合金液盡可能純凈，保證成分符合標準，晶粒細化組織均勻，具有適當?shù)臏囟?，控制?50℃～670℃，以滿足鑄造工藝的要求。

3.3 壓鑄生產(chǎn)準備

試制樣件的生產(chǎn)安排不同于量產(chǎn)的生產(chǎn)準備，壓鑄機的型號選擇也并非嚴格按照計算公式的結(jié)果，但壓鑄機的種類一般選擇臥式冷室壓鑄機，根據(jù)零件的尺寸大小及復(fù)雜程度，壓鑄機的噸位從800T～3200T。

試制模具制造完成后，由鉗工進行修配，通過天車、合模機等裝置完成模具裝配。目前大多數(shù)模具制作廠家已具備毛坯的壓鑄能力，可快速進行模具的安裝與調(diào)試；但尚有部分模具廠需外委進行模具的安裝、調(diào)試及毛坯鑄造。

試制壓鑄模具因沒有制作熱油道，需通過慢壓射鑄件對模具進行預(yù)熱。一般情況下 7～8模即可達到正常壓鑄生產(chǎn)的溫度，通過手持式測溫儀進行溫度測量，模溫在 150℃～180℃較為適宜。

3.4 壓鑄機上實施生產(chǎn)

上方，十分鐘左右即可；取放時需注意操作人員的防護，以免燙傷。

3.5 壓鑄件清理與質(zhì)量檢查

鑄件取出后，需清理澆注系統(tǒng)、排溢系統(tǒng)等處的飛邊、毛刺。試制階段一般選擇手工清理的方式，使用銼刀、砂輪機等工具。清理時要保證清理干凈，同時要防止清理過度，損傷鑄件。

壓鑄件質(zhì)量包括外觀質(zhì)量、內(nèi)在質(zhì)量和使用質(zhì)量，鑄件缺陷檢查普遍采用的方法有：

（1）目視檢查；（ 2）化學成分檢查；

（3）力學性能檢查；（4）金相檢查；（5）尺寸檢查；（6）氣密性檢查（水檢）；

（7）無損探傷檢查（X射線、超聲波）；

（8）剖切檢查。

力學性能檢查的結(jié)果與試樣類型及選取部位密切相關(guān)，需根據(jù)各零件的技術(shù)要求，確定試樣是從鑄件本體上取樣，還是單獨鑄造試樣。

縮孔和縮松是壓鑄件的主要缺陷，通過 X射線檢查，能確定缺陷的投影位置、大小和缺陷種類，以準確判斷樣件是否滿足使用要求。

有氣密性要求的壓鑄件，大多是在成品加工完成后進行密封性檢測。試制階段，由于鑄件質(zhì)量不穩(wěn)定，根據(jù)零件的實際情況，可在精加工前，對鑄件進行一次氣密測試，并根據(jù)檢查結(jié)果，進行浸滲處理，封堵微孔缺陷。

4 結(jié)語

本文針對鋁合金壓力鑄造工藝在發(fā)動機試制中的模具設(shè)計、鑄造生產(chǎn)及質(zhì)量檢查等進行了系統(tǒng)介紹，相關(guān)內(nèi)容大多是對實際試制工作的經(jīng)驗總結(jié)，注重于壓鑄工藝在發(fā)動機試制中的應(yīng)用，希望為發(fā)動機的試制工作提供相關(guān)參考、借鑒。

參考文獻：

[1]劉志明 .壓力鑄造技術(shù)與應(yīng)用 .天津大學出版社，2010年 9月第 1版，12頁 .