鋁合金水冷缸頭低壓鑄造缺陷分析及優(yōu)化對(duì)策

余永龍

摘要：水冷缸頭是指在汽車等設(shè)備中存在的用于散熱的裝備，水冷缸頭通過冷卻水的進(jìn)入對(duì)缸頭起到了冷卻的作用，從而達(dá)到了散熱的作用，為發(fā)動(dòng)機(jī)提供了良好的運(yùn)行環(huán)境，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能。目前我國(guó)在水冷缸頭相關(guān)技術(shù)研發(fā)取得了一定的成就，但是由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與制造工藝非常復(fù)雜，大大提升了水冷缸頭鑄造的不合格率，不僅浪費(fèi)原材料成本和生產(chǎn)成本，影響制造企業(yè)的經(jīng)濟(jì)收入，還在一定程度上對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生了負(fù)面影響?；诖?，本文對(duì)鋁合金水冷缸頭低壓鑄造缺陷進(jìn)行了分析并提出了相關(guān)建議。

關(guān)鍵詞：水冷缸頭;低壓鑄造;缺陷;優(yōu)化對(duì)策

0 ?引言

低壓鑄造是目前我國(guó)制造工業(yè)應(yīng)用較為廣泛的凝固鑄造方式，是在密封環(huán)境中將空氣進(jìn)行壓縮形成低壓力使得金屬液上升到鑄型中并凝固的鑄造過程，一般用于有色金屬零件的鑄造，例如鋁合金水冷缸頭。由于在鑄造過程中對(duì)氣道表面的要求較高，水冷缸頭鑄造的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，燃燒室條件不足和生產(chǎn)初期受到各種因素的影響導(dǎo)致低壓鑄造會(huì)產(chǎn)生各種各樣的缺陷，例如鑄件變形、縮孔和澆不足等問題，降低了產(chǎn)品的質(zhì)量，不合格成品和廢品的處理還加大了人工成本，因此要采用合理的優(yōu)化對(duì)策，提高鑄件良品率和產(chǎn)品質(zhì)量。

1 ?缸頭鑄件結(jié)構(gòu)

缸頭又叫做缸蓋，是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的重要結(jié)構(gòu)之一，是保證汽車發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。缸頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)中含有凸輪軸結(jié)構(gòu)，凸輪軸結(jié)構(gòu)與活塞和缸體共同組成了燃燒室。燃燒室、氣門室和氣道是鑄件結(jié)構(gòu)的主要部分，在燃燒室中當(dāng)油氣發(fā)生爆炸時(shí)溫度可高達(dá)1100攝氏度，爆燃所產(chǎn)生的高溫會(huì)對(duì)內(nèi)壁產(chǎn)生相應(yīng)的沖擊作用，從而達(dá)到提高壓力峰值的作用，這時(shí)內(nèi)壁的峰值可高達(dá)7MPa[1]。本文研究的水冷缸頭型號(hào)為Z16LB，是重慶某機(jī)械制造公司為出口訂單制造的，鑄件結(jié)構(gòu)如圖1。Z16LB型號(hào)的缸頭鑄造工藝為低壓鑄造，熔煉工藝采用的是天然氣熔化爐熔煉工藝，砂芯制造工藝先進(jìn)，采用的是熱芯盒覆膜砂工藝，鋁合金金屬配比精準(zhǔn)，經(jīng)過鑄造后實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)除渣，該缸頭的鑄造工藝復(fù)雜，對(duì)結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)度和質(zhì)量要求極高。

2 ?Z16LB型缸頭常見的低壓鑄造缺陷

2.1 漏氣缺陷

漏氣是缸頭常見的低壓鑄造缺陷。在低壓鑄造中對(duì)缸頭產(chǎn)品的技術(shù)要求是非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，產(chǎn)品完成后需要進(jìn)行百分百密封實(shí)驗(yàn)，在測(cè)試密封性實(shí)驗(yàn)過程中將壓力等級(jí)設(shè)置為DK2，容許泄漏值標(biāo)準(zhǔn)為Q/LK J16-2006。密封性實(shí)驗(yàn)是為了測(cè)試缸頭是否存在漏氣的缺陷，需要在水道環(huán)境中進(jìn)行，如果泄漏值出現(xiàn)比設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值高的時(shí)候則說明該缸頭出現(xiàn)了漏氣缺陷，一般在開發(fā)起初階段，缸頭出現(xiàn)漏氣缺陷的概率高達(dá)百分之三十五[2]。

2.2 縮松缺陷

縮松是指缸頭在加工銑面過程中某一部位出現(xiàn)微小的孔和裂隙，并且大部分的孔和裂隙的形狀都不規(guī)則。縮松缺陷主要出現(xiàn)在蓋面中（見圖2），圖中出現(xiàn)的縮松缺陷較淺，近似圓形，缺陷微小不易被人發(fā)現(xiàn)，該缺陷一般發(fā)生在鏈腔外壁中且位置較為固定，具有較強(qiáng)的規(guī)律性，因此相關(guān)檢驗(yàn)工作人員可以根據(jù)常發(fā)生的位置這一規(guī)律對(duì)缸頭是否出現(xiàn)縮松進(jìn)行檢查和確定。

2.3 氣孔缺陷

氣孔是在金屬液體充型過程中氣體進(jìn)入到型芯當(dāng)中且沒有得到及時(shí)排放導(dǎo)致的，目前在水冷缸頭低壓鑄造中氣孔大多為侵入性氣孔[3]。在鑄造過程中氣孔的面積跟縮松相比略大，大的可以達(dá)到幾毫米，氣孔形狀比較規(guī)則，一般為球形和扁球形，氣孔內(nèi)壁比較光滑、整潔。氣孔缺陷發(fā)生的位置一般為進(jìn)氣導(dǎo)管中和出氣導(dǎo)管中，處于導(dǎo)管內(nèi)壁中的氣孔可以通過X射線檢查出來(lái)，但是由于部分氣孔發(fā)生在比較隱蔽的位置，則不能通過X射線探傷出來(lái)，為相關(guān)檢查人員的工作提出了巨大的挑戰(zhàn)。

3 ?缺陷產(chǎn)生的原因及其解決辦法

3.1 產(chǎn)生漏氣的原因以及對(duì)應(yīng)的解決策略

在進(jìn)行水道漏氣實(shí)驗(yàn)中如果出現(xiàn)了泄漏值過高的現(xiàn)象則被認(rèn)為是該缸頭出現(xiàn)了漏氣缺陷，漏氣缺陷出現(xiàn)后相關(guān)工作人員要找出原因并采取對(duì)應(yīng)的解決方式。為找出漏氣部位相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)該先進(jìn)行濕式側(cè)漏實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)對(duì)象為漏氣缺陷缸頭，將漏氣缸頭的各水道出口和進(jìn)口進(jìn)行嚴(yán)密的封堵，封堵后注入壓縮空氣并將實(shí)驗(yàn)裝置放到水中，在水中觀察其氣泡的大小以及氣泡的出現(xiàn)位置，經(jīng)水道實(shí)驗(yàn)后降缸頭具體的漏氣部位找出來(lái)并進(jìn)行進(jìn)一步局部解剖，鎖定具體漏氣位置并進(jìn)行斷面分析，發(fā)現(xiàn)該裝置的密封性較差，出現(xiàn)了縮松缺陷，導(dǎo)致漏氣缺陷。根據(jù)實(shí)驗(yàn)和專業(yè)技術(shù)人員分析，該缸頭出現(xiàn)漏氣的位置位于毛坯壁的較厚處，同時(shí)也是容易發(fā)生縮松的位置，根據(jù)冷卻速度和其他各種因素引起的縮松漏氣，針對(duì)漏氣缺陷提出了以下幾種解決辦法[4]。

根據(jù)漏氣缺陷特點(diǎn)對(duì)模具進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)模具是為了提高低壓鑄造工藝在生產(chǎn)過程中的精密程度，減少鋁合金水冷缸頭缺陷的發(fā)生。首先，相關(guān)技術(shù)工作人員要加大澆口，使得補(bǔ)縮效果更加明顯。其次為減小熱節(jié)應(yīng)該合理的增加毛坯預(yù)鑄孔，在原有預(yù)鑄口的旁邊增加一個(gè)或兩個(gè)預(yù)鑄孔，從而達(dá)到減小熱節(jié)的作用，減少熱力應(yīng)力集中，減少冷卻速度快給內(nèi)壁帶來(lái)的影響，從而減少漏氣等缺陷的發(fā)生。最后，要注重冷卻通道對(duì)壓鑄過程的散熱作用，在低壓鑄造過程中加強(qiáng)通風(fēng)，增加冷卻通道的數(shù)量[5]。

3.2 產(chǎn)生縮松缺陷的原因以及對(duì)應(yīng)的解決策略

縮松是銑面后出現(xiàn)的不規(guī)則細(xì)小裂縫和微小孔眼，該類缺陷發(fā)生的位置跟漏氣相比相對(duì)比較固定，常發(fā)生在蓋面上，由于形狀具有不規(guī)則性和位置的固定性使得缺陷的檢查更加具有規(guī)律性，大致確定位置后進(jìn)一步分析缺陷產(chǎn)生的原因。缺陷處于冒口與冒口之前且中間距離較小，受到鑄造過程中熱量的影響從而形成熱節(jié)，根據(jù)相關(guān)技術(shù)人員分析，本次縮松產(chǎn)生的原因?yàn)檠a(bǔ)縮不及時(shí)，由于在凝固過程中內(nèi)壁最薄的部分最先完成凝固，導(dǎo)致補(bǔ)縮通道難以形成，從而使增壓壓力無(wú)法作用導(dǎo)致縮松缺口的出現(xiàn)。對(duì)于縮松缺陷的產(chǎn)生可以采取以下對(duì)應(yīng)的解決方式[6]。

減少鋁合金水冷缸頭低壓鑄造中的縮松缺陷的主要解決辦法為對(duì)相關(guān)模具進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)于縮松缺陷所發(fā)生的位置進(jìn)行局部機(jī)加工余量減少，將原來(lái)的4毫米改為2毫米（見圖3），在圖中可以清晰的看出加工余量減少的具體位置，根據(jù)實(shí)際情況要想加大縮松缺陷的減少程度還可以改為1.5毫米，減少后可以有效改善該處的熱節(jié)，從而達(dá)到減少縮松缺陷的目的。

3.3 產(chǎn)生氣孔缺陷的原因以及對(duì)應(yīng)的解決策略

氣孔缺陷是鋁合金水冷缸頭制造過程中一直都會(huì)存在的問題，貫穿了整個(gè)鑄造過程，因此給減少氣孔缺陷工作帶來(lái)了極高的難度。在開發(fā)初期到產(chǎn)品收入使用的整個(gè)過程中導(dǎo)管孔壁都有較大的概率出現(xiàn)氣孔缺陷，氣孔缺陷產(chǎn)生的原因包含多種因素，解決過程跟以上兩種缺陷相比所需時(shí)間更長(zhǎng)。

首先在產(chǎn)品的開發(fā)階段應(yīng)該先對(duì)相應(yīng)的模具進(jìn)行改進(jìn)，以減小氣孔的發(fā)生概率。注重模具排氣功能的設(shè)置和加強(qiáng)，相關(guān)技術(shù)工作人員應(yīng)該采取各種排氣方式，比如在充型過程中對(duì)充型模具進(jìn)行改進(jìn)，在模具的死角處做合理數(shù)量的排氣設(shè)計(jì)，還可以在砂芯的芯頭處做排氣槽設(shè)計(jì)，使氣體可以通過排氣槽或者排氣孔排出缸頭。此外相關(guān)工作人員還可以加強(qiáng)頂桿間隙來(lái)實(shí)現(xiàn)排氣的目的，以上幾種模具改進(jìn)措施可以在很大程度上改善氣孔的問題，但是還有部分位置隱蔽的氣孔缺陷問題等不到解決[7]。其次，在本次研究中相關(guān)技術(shù)人員還通過減小發(fā)氣量來(lái)降低氣孔缺陷的發(fā)生概率，在選擇制造砂芯原材料的時(shí)候盡量選用發(fā)氣量較小的覆膜砂，與此同時(shí)還要相應(yīng)的延長(zhǎng)砂芯烘烤時(shí)間，從而達(dá)到減小澆注過程中產(chǎn)生的發(fā)氣量，調(diào)整相關(guān)具體澆注參數(shù)。

4 ?結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，鋁合金水冷缸頭低壓鑄造存在很多的缺陷，常見的缺陷類型有氣孔、縮松和漏氣等，本文對(duì)這三種缺陷產(chǎn)生的原因以及對(duì)應(yīng)的解決方案進(jìn)行了深入的分析并且取得了良好的效果，要選擇合適的低壓鑄造工藝和技術(shù)，提高制造生產(chǎn)質(zhì)量和水平。

參考文獻(xiàn)：

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