遲龍飛

(廣州汽車集團(tuán)乘用車有限公司，廣東廣州 511434)

0 引言

隨著我國汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，對整車輕量化和整車油耗要求不斷提升，基于生產(chǎn)成本和力學(xué)性能的考慮，擴(kuò)大鋁合金鑄件的應(yīng)用是目前解決上述問題的主要手段。發(fā)動機(jī)缸蓋已完全實(shí)現(xiàn)使用鋁合金的制造，國內(nèi)主流的鋁合金缸蓋鑄造方法主要分為兩種：翻轉(zhuǎn)鑄造(亦稱為重力鑄造)和低壓鑄造。其中，低壓鑄造以其自動化程度高[1]，充型壓力和充型速度便于控制，充型平穩(wěn)，沖刷力小，液流和氣流的方向一致，氣孔、夾渣等缺陷較少，鑄件組織較高壓鑄造致密，補(bǔ)縮冒口小，金屬利用率提高到90%～98%，成本低等特點(diǎn)，在國內(nèi)的各大車企含豐田、本田、日產(chǎn)等合資企業(yè)，均普遍以低壓鑄造工藝生產(chǎn)發(fā)動機(jī)鋁合金缸蓋。本文作者以某日系合資發(fā)動機(jī)制造企業(yè)生產(chǎn)的鋁合金缸蓋為例，介紹發(fā)動機(jī)鋁合金缸蓋低壓鑄造的砂再生、砂芯造型、澆注、及熱處理工藝和過程控制要點(diǎn)，并對常見不良提供大致的解決方向及理論基礎(chǔ)。

1 鋁合金缸蓋整體低壓鑄造流程

根據(jù)目前主流的發(fā)動機(jī)鋁合金缸蓋制造流程，可分為五大工序，詳見表1。

表1 低壓鑄造缸蓋五大工序流程

特別的，對鋁液溶解、砂芯模、外模整備同樣屬于低壓鑄造的重要工序，但主機(jī)廠出于布局約束、品質(zhì)管控成本等方面的原因，有可能將鋁液溶解工序部分進(jìn)行委外處理；模具整備則一般從屬于輔助部門進(jìn)行管理。

2 各工藝方法及相關(guān)過程控制要點(diǎn)

2.1 鋁液溶解工序

從低壓鑄造生產(chǎn)線回收的澆冒口、切屑切粉與鋁錠混合后投入溶解爐，作業(yè)人員需對溶解后的鋁液進(jìn)行成分檢測，不同牌號鋁液成分稍有差異，表2為牌號AC2C鋁液成分一般控制要求。

表2 牌號AC2C鋁液成分一般控制要求

表3給出了各微量元素對產(chǎn)品的相關(guān)影響，對于工藝控制具有參考意義。

表3 各微量元素對缸蓋品質(zhì)的影響

因鋁液的含氣量將極大地影響低壓鑄造缸蓋品質(zhì)，在鋁液出庫及澆鑄前均需對鋁液的含氣量進(jìn)行測定，目前一般采用減壓凝固法，比重值2.60 g/cm3以上的鋁液判定為合格，可進(jìn)行澆鑄生產(chǎn)，如比重不達(dá)標(biāo)，則可通過GBF，向鋁水內(nèi)部投入除渣劑，并通入氬氣或氮?dú)獾榷栊詺怏w，達(dá)到改善的目的。表4展示不同比重值鋁樣切斷的內(nèi)部狀況。在生產(chǎn)過程中，鋁液的出湯溫度及配湯溫度亦為重要管控點(diǎn)，出湯溫度、配湯溫度及澆鑄溫度根據(jù)工藝進(jìn)行階梯遞減設(shè)置，一般適宜的澆鑄溫度為680～700 ℃[2]。

表4 不同比重值鋁樣切斷對比

2.2 砂再生工序

砂再生工序是將各工序收集的廢砂，含砂處理造型機(jī)、低壓鑄造機(jī)、后處理設(shè)備及熱處理回收干燥砂等，通過振動破碎，混合后投入加熱爐中進(jìn)行焙燒，用于清除砂子內(nèi)的不純物，并添加適量新砂用于補(bǔ)充過程損失量，以及調(diào)節(jié)砂粒度。加入黏結(jié)劑(酚醛樹脂)，硬化劑(硬脂酸鈣)，和烏洛托品溶液用于增加流動性，在混煉爐內(nèi)進(jìn)行攪拌混煉，最終生產(chǎn)的混煉砂需經(jīng)過發(fā)氣量檢測、抗折強(qiáng)度檢測、粒度檢測等品質(zhì)檢查，方可用于砂芯造型[3]。該工藝采用石英砂與酚醛樹脂成型,由于石英砂的熱膨脹率很小而且恒定,因而鑄件的尺寸精確度高，其加工面的加工余量可達(dá)1.5 mm[4]。

砂再生過程中需重點(diǎn)關(guān)注各工序砂溫，砂溫異常將影響混煉效果以及出現(xiàn)不純物超差的情況，混煉過程中除需規(guī)定藥品投入時間及用量外，還需定期測定混煉爐內(nèi)飛輪與爐壁間的間隙，長期使用情況下飛輪與爐壁間隙增大，影響混煉效果。砂加熱爐需定期點(diǎn)檢鼓風(fēng)機(jī)壓力值、加熱器火焰電壓值、集塵機(jī)負(fù)壓值等重要條件，以保證混煉砂質(zhì)量。

2.3 砂芯造型工序

鋁合金低壓鑄造缸蓋一般需要制作進(jìn)排氣道砂芯、水道砂芯，由于對發(fā)動機(jī)性能和效率要求不斷提高，目前缸蓋水道設(shè)計也逐漸復(fù)雜，所需砂芯數(shù)量也將隨之增加，但基本可以使用頂吹式和側(cè)吹式砂芯造型機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)。進(jìn)、排氣道砂芯采用側(cè)吹式砂芯造型機(jī)生產(chǎn)，水道砂芯采用頂吹式砂芯造型機(jī)生產(chǎn)，生產(chǎn)過程需對砂芯厚度進(jìn)行測量，確保模具合模間隙，模具溫度需保證在±10 ℃以內(nèi)，可通過測溫?zé)犭娕家约皽乜乇磉M(jìn)行PID控制，以保證砂芯燒成厚度。圖1為氣道砂芯一般切斷部位，用于確認(rèn)砂芯燒成厚度，圖2為氣道砂芯燒成厚度。

圖1 氣道砂芯一般切斷部位

圖2 氣道砂芯燒成厚度實(shí)物

2.4 鑄造工序

生產(chǎn)完畢的砂芯配送至低壓鑄造機(jī)工位，將砂芯放置在鑄造外模后啟動鑄造機(jī)，通過向鋁液保持爐內(nèi)壓入干燥的壓縮空氣，壓縮空氣作用于鋁液表面，將鋁液通過升液管壓送至型腔內(nèi)部，與模具、砂芯共同成型為缸蓋。圖3為一般低壓鑄造機(jī)的示意圖。保溫爐為三坩堝式連續(xù)爐，分別為配湯坩堝、保持坩堝及加壓坩堝，內(nèi)部通過流道連通，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)式鑄造[5]。

圖3 低壓鑄造機(jī)示意

表5為常見的缸蓋低壓鑄造不良表象和對策方向[7]。

表5 缸蓋低壓鑄造不良表象和對策方向

鑄造工序作為缸蓋低壓鑄造最重要的工序，涉及模具本體、水冷系統(tǒng)、空冷系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)等重點(diǎn)管理要素。正常生產(chǎn)條件、節(jié)拍穩(wěn)定前提下，通過空冷、水冷系統(tǒng)的控制，模具溫度應(yīng)在合理的范圍內(nèi)波動，以保證鑄造的良品條件。模具表面應(yīng)按規(guī)定涂布涂料，并使用膜厚計定期測定和補(bǔ)噴，噴涂區(qū)域存在基準(zhǔn)、排氣塞、燃燒室鑲塊等重點(diǎn)部位的，涂模過程中需使用涂模擋板遮擋，避免涂料厚度異常。模具溫度實(shí)時監(jiān)控，防止異常停機(jī)或節(jié)拍不一致導(dǎo)致的模溫不均勻，進(jìn)而影響產(chǎn)品品質(zhì)。加壓系統(tǒng)方面，定期點(diǎn)檢加壓控制閥及保持爐加壓室內(nèi)壓力傳感器[6]，保持壓縮空氣干燥，定期更換湯口盆和升液管，保證爐內(nèi)密封，避免加壓壓力不足導(dǎo)致的缸蓋補(bǔ)縮不足。模具排氣槽、排氣塞、頂桿及負(fù)壓抽氣系統(tǒng)定期清理，確保排氣通暢。由于鑄造工序需維持的良品條件眾多，相關(guān)參數(shù)的細(xì)微變更即可能影響缸蓋品質(zhì)，必須依據(jù)工藝方案及澆注工藝進(jìn)行異常的調(diào)查和對策。

2.5 后處理工序

后處理工序難度較低，主要工序內(nèi)容涉及二維碼的刻印(產(chǎn)品的追溯)、打擊落砂、澆冒口切斷、毛刺清理及外觀檢查。其中重點(diǎn)工序?yàn)榇驌袈渖肮ば?，打擊頭錘擊的部位在產(chǎn)品設(shè)計初期即需進(jìn)行明確，按照長期生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)所得，打擊落砂前缸蓋表面溫度需盡量在60 ℃以下，以避免缸蓋內(nèi)部出現(xiàn)打擊裂紋，所以應(yīng)在鑄造工序的毛坯冷卻裝置和后處理工序的投入輥道上設(shè)置相應(yīng)的中轉(zhuǎn)手持，同樣，打擊錘氣壓需定期點(diǎn)檢，差壓值控制在±0.03 MPa，以使打擊力度均勻。

2.6 熱處理工序

熱處理工序也是缸蓋低壓鑄造的重點(diǎn)工序，采用回轉(zhuǎn)式T6熱處理爐進(jìn)行生產(chǎn)，單爐內(nèi)共十列五層貨架，每層貨架放置兩件缸蓋，整爐除搬入搬出門工位可同時處理90個工件。嚴(yán)格設(shè)定固溶、固溶至水槽、時效及空冷時間。整體流程共約5.5 h，圖4為熱處理爐整體時序圖。

圖4 T6熱處理整體時序

日常生產(chǎn)過程中，需對爐體水平、爐體保溫進(jìn)行定期點(diǎn)檢，加熱系統(tǒng)包括鼓風(fēng)機(jī)壓力值、加熱器火焰電壓值、LNG、空氣比例閥作為重要項(xiàng)目進(jìn)行管控。熱處理過程采取年度實(shí)體測溫的方式以確認(rèn)缸蓋本體是否可以達(dá)到熱處理要求，日常缸蓋品質(zhì)保證由熱處理爐氛圍溫度熱電偶及溫控表進(jìn)行反饋補(bǔ)償控制。淬火水槽溫度要求控制在(85±5) ℃，由開放式冷卻水塔進(jìn)行補(bǔ)水冷卻，溫度低下時使用水槽內(nèi)的加熱器進(jìn)行升溫控制[8]。熱處理后采用便攜式硬度計對缸蓋硬度進(jìn)行全檢，對水道腳部砂芯易斷裂的部位采用通光度設(shè)備全檢，以保證水孔開度。

3 結(jié)束語

面對國內(nèi)汽車鋁合金低壓鑄造缸蓋需求的不斷增加,提高國內(nèi)低壓鑄造技術(shù)水平和工藝水平已刻不容緩,目前合資工廠的低壓鑄造缸蓋水平已達(dá)世界先進(jìn)水平，相信通過不斷努力，國產(chǎn)低壓鑄造缸蓋也能夠走向世界，為一線整車廠商配套。由于時間、篇幅等限制，文中還有許多待改進(jìn)和研究的地方，特別是模具的設(shè)計、鑄件的溫度場、加壓保壓時間和壓力的控制還有待進(jìn)一步的研究和探討。