汽车发动机铝合金前盖的压铸工艺优化

汽车发动机铝合金前盖的压铸工艺优化

黎钟荣

广东鸿特精密技术肇庆有限公司  广东肇庆  526000

摘要：应用仿真软件，以某轿车发动机铝合金前罩为实例，进行了浇铸与溢流系统的模拟计算。对仿真的结果进行了分析，并给出了压铸工艺的最佳设计；模拟了最佳浇注与固化工艺，对温度场、气压、凝固等参数的变化进行了仿真，验证该方法是否具有较好的合理性。同时，由于铸件局部温度过高，冷却时间过长，可以使用一些方法来加速局部冷却，例如，高压点冷，从而改善铸件质量。最后，对浇注系统及其它工艺设计进行了论证。

关键词：铝合金；汽车；前盖；发动机；压铸工艺

在我国汽车工业迅速发展的今天，对轻质合金的需求日益增加。铝合金，因其具有较低的致密、较低的热膨胀率和较好的摩擦力，广泛用于汽车发动机盖、变速箱壳体等铸件。我国汽车铝合金铸件主要采用，Si含量为，属亚共晶型或共晶型，机械性能良好。采用软件，对某汽车发动机铝合金前盖的充型、凝固过程进行了研究。并对其进行了仿真计算，并给出了相应的优化设计，为同类产品的制造提供了借鉴。

一、铝液的处理

为了改善铸件的机械性能，降低铸件的各类缺陷，对铝合金的熔融处理是十分重要的一环。

1.铝合金熔体的提纯和纯化

由于对铝溶液的品质提出了更高的要求，所以，从精制原理上将其分成两大类：吸附提纯与不吸附提纯。浮游法是最常用的精制方法，80年代后期，公司根据气泡浮游的原理，开发出一种，将惰性气体从铝液的底部吸入，使之分散为均匀的微小气泡，从而大大增加了与铝液的接触面积和时间。同时，由于气泡表面吸附的杂质也会随之上升，从而实现脱氢除渣。

目前，该工艺主要是利用氮气进行脱气，在的条件下，吹管的转速在，在内进行。

2.铝合金熔体的变质和细化处理

改进合金的铸态结构最好的办法是变质合金，常规的变质剂主要为钠变质和锶变质，变质更适于大规模、连续的生产。普遍认为，的质量分数应该在之间，；铝锭中最好不要有Sr，由于铝锭中含，在中转铝时易被卷入氧化夹杂物；加Sr的添加时间为，后发生变质。加入Sr可以消除宏观收缩，从而形成显微缩孔。

3.铝液的过滤

国外很多铸件企业对铝液的过滤都很重视，通常铝液经过除渣后会在中间包的出口处加一层滤网。

目前国外主要采用的是过滤板，它不但可以滤掉铝液中的各种杂质，同时也可以降低湍流，因而在各个铸造企业中得到了广泛的应用。

部分是从熔化区到保温区，从保温区到取料区，每个隔离区都设有一个滤板，滤板的直径通常为8~16米，滤板材料通常是碳化硅。

GM公司的铸造车间还采用了二次过滤技术，在吹风后，先用一层过滤板，然后将过滤盒置于浇注区的绝热炉中，过滤板的使用寿命通常为3个月。过滤板，过滤盒材料也是碳化硅，由公司生产。

另外，可以用法等多种方法来测定铝溶液中的氧化夹渣。在铝液融化后进行过滤，在过滤之前和之后进行称量，以测定杂质的含量。

4.铝合金熔体密度的控制

铝溶液中气体含量测定的两种方法：（1）采用先进的测氢计；%减压试验。可以在炉前对铝溶液进行快速定量检测；RPT与密度方法相似，但其缺陷在于，不能准确地判断出气体的数量。

美国的FSI测试方法为：每2小时测量一次铝溶液的浓度，其密度为，通常为。

巴西GM的铝液含气量控制仅在浇铸机旁设有直读式氢检计，用真空法将压力由，样品坩埚的设定温度为。铝溶液的含气量一般不超过，在吹氩气之前，气体含量一般在之间，吹氩气后可以达到。

二、压铸件模型和材料

1.压铸件模型

引擎的前罩的外形尺寸大约是，铸造重量大约，车身的平均壁厚度是，（线框上的标记是厚度比较大的区域）。铸件的结构比较复杂，在铸件内部存在大量的螺栓孔和加强筋，并且在铸件的壁厚上存在着很大的差异，从而使铸件的致密不均，从而引起铸件的变形、缩孔和缩松。

图1 前盖铸件三维模型

2.铸件材料

引擎前盖必须具备优良的机械性能和高致密密度，不允许出现任何内部缺陷，如裂纹、缩松等。根据上述需求，选择了流动性好、易于成形的铝合金。表1及2是它们的化学组成及机械性质。

表1

表2

三、初始压铸工艺方案

1.初始浇注系统设计

针对前盖的构造特征，提出了两个分岔，各有6个内部浇口。铝合金液体由浇口杯流入直浇口，经两个分岔流入6道内浇口，最后流入模腔。

图2 初始方案

2.确定工艺参数

采用DIEVAR铸件模具，基于这两种物质的物理性质，结合铸造技术手册及实际操作经验，经过计算，得到了一些压铸工艺参数：铸造温度670℃，模具起始温度3.4公斤，铸造体系2公斤，溢流体系850克，总质量6.25公斤。铸造面积1196平方厘米，总投影面积1554平方厘米；选用了60MPa的压射比压，并选用了1.2

的安全系数。

胀型力、锁型力的计算：

其中是胀型力；是锁型力；A是1554平方厘米的全部投影面积；p比压力是60MPa的压射比压力；K是安全系数，用公式（1）和（2）代换，得出=11180kN，故推荐使用12500kN的压铸机。

冲头的直径是，低压力射速是0.2米/秒，高压力射速3.5米/秒，管长780毫米，充模率达到38%；从理论和经验的综合考虑，计算出充模时间在0.07秒左右，，。

核算充型速度，可按照：

在公式中，，，，。冲床的直径是100毫米，横截面面积是7850平方毫米；，，用公式进行了计算，得出了=39米/秒，充模速率是合理的。

3.分析初拟方案模拟

采用 Magma有限元模拟程序，模拟了铸件的充型和凝固状况。结果表明：全模腔充型时间大约为0.076秒，金属液体在模腔内的初始充型速率较高，而在中间部位的充型速率要比两边快，在充型中期，金属液体会逐渐向厚壁区内渗透，这时观察到，厚度大的部位充型比较慢，容易出现停滞，而当这个部位填充完成后，由于温度高，固化时间长，易出现气孔、缩孔等问题。

图3 初拟方案充型过程模拟

四、优化设计压铸工艺

1.优化浇注系统

由于壁厚部位的充模比较慢，为了确保铸造质量，在成型过程中各个部位的充模速率都是相同的，建议在厚度较大的部位增设2道内浇口，以提高充模速率，它能保证模具的顺利，有利于排气，避免缩松。线框部分为一个用于提高进料的双通路内浇口。因为浇口处和浇铸的底部有很大的差异，为了保证这个区域的进料顺畅，在这里的浇口处增加了一个滑块，以确保铝液充分充型。

图4 优化方案结构

图5 滑块设置

2.分析优化方案模拟

为了进一步研究最佳方案的充模效果及固化状况，本文又进行了数值模拟。经观测，发现整个充模过程在0.071秒左右，与理论计算结果十分吻合。在填充时，铝液的推进比较顺畅，流速基本保持不变；型腔排气顺畅，压力稳定，无明显的滞气和卷气。在凝固时，除了厚度较大的部位，冷却速度比较缓慢，其余部位的凝固冷却比较均匀。

图6 优化方案充型及凝固情况模拟

五、局部地区冷却计划

采用高压点冷机调节冷却水到要求的温度，然后由对应的管路迅速流经模具，以达到冷却效果。工艺中，中芯快速冷却，在靠近芯部时不会发生收缩，所以采用高压点冷技术可以达到模具热平衡。从而有效地解决了局部的孔隙问题，这样，模具的使用寿命就会得到很大的改善，更换或翻新的次数也会减少，保证了铸件的质量。

图7 高压点冷处结构示意图

在数值模拟分析中，由于壁厚部位的冷却速度比较缓慢，因此可以考虑在关键部位进行高压点冷，以确保铸件的质量。根据铸件结构的分析，提出了在线架3个型芯内部进行高压点冷的方案；另外，为了改善内孔的内部品质，还对新增的2个滑块进行了加压点冷。

六、模具研制与试制

按照最佳工艺设计，研制出了一套压铸模，并进行了试验制作。在水平压铸机上进行了试制，。在试验中，在压射的过程中，在压力较低的时候，铝液体从浇口流入横向浇口，从内浇口平滑地流入模腔，随后快速进入高速压射，待注模完成后，对关键部位进行压力点冷，保证铸件各个部位的凝固时间基本保持一致。其表面光洁，轮廓清晰，内孔质量良好，不存在明显的缺陷。并对其进行了气密性和机械性能的检验。通过对该产品的检测，该产品的合格率为96%，试验结果符合产品的性能指标。

图8 模具结构示意图

图9 前盖铸件

结论：1.采用Magma仿真程序，对某汽车发动机铝合金前罩进行了浇注，并对其进行了充型和凝固。结果表明，在壁厚区，填充速率相对缓慢，且易于发生堵塞。在高温下，固化时间长，容易产生气孔和缩孔。在厚壁区增加两个内浇口，使充型速度加快，使充型更加顺畅，有利于排气，防止缩孔和气孔的产生。

2.在确定了与前盖压铸相关的铸造工艺参数后，所述压射比压力为60MPa、、、0.2米/秒低速、3.5米/秒的高速、的料筒长度和38%的充模率。对最佳填充和固化工艺进行了仿真，并对温度场、气压和凝固进行了分析，最后，给出了最优解的方法。

3.前罩压铸件局部温度过高，冷却时间过长，建议采用高压点冷等方法来加速冷却，以改善铸件质量。

参考文献

[1]柯春松,庄舰,刘红娟,等.基于局部增压技术的高挡位自动挡变速箱壳体压铸工艺优化[J].铸造.2014,(3):214-215.

[2]宋丽华,曾世伟,王学民.基于MAGMA的发动机缸体模具压铸工艺分析[J].模具工业.2019,(7):18-20.

[3]Alan A.Luo,Anil K.Sachdev,Bob R.Powell.Advanced casting technologies for lightweight automotive applications[J].中国铸造.2010,(4):45-47.

[4]马鸣图,柏建仁.汽车轻量化材料及相关技术的研究进展[J].新材料产业.2016,(6).37-42.

[7]刘瑞玲, 范金辉编

. 铸造实用数据速查手册 [M].机械工业出版社,2014.