铝合金缸体压铸工艺及品质控制.docx

一、 铝合金压铸缸体介绍
下图为Al-9Si-3Cu合金压铸缸体，其尺寸为351mm*334mm*269mm，壁厚为（4±0.4）mm，毛坯质量为18.9kg，硬度（HB）为90-110。采用高磷蠕墨铸铁缸套，硬度（HB）为220-290，壁厚为4.4mm，桁磨后壁厚为2.8mm。缸体结构包含缸筒、水套、高压油道、曲轴箱、主轴承座等。 

二、 铝合金熔化设备及工艺
熔化采用LPG燃气炉，其具备上料、熔化及保温功能，熔化率为3.5T/H，保温炉容量为10t。为节省能源，目前，多采用铝合金液直送工艺，即由铝合金供应商在厂内进行铝合金液的熔化，将合金液直接送至压铸车间保温炉内。
合金牌号为Al-9Si-3Cu，铝合金锭与回炉料配比为4:6；采用直读光谱仪检测出炉前合金液成分；合金液在熔化炉保温室内进行720℃保温，在进行炉内精炼除渣之后，出炉到转运浇包内；在转运浇包内采用氮气（99.99%）＋旋转除气装置进行除气处理，可净化合金液内部残存气体及残渣；通过含气量检测装置进行除气效果评价，密度指数＝（1-ρ真空/ρ常压）*100，控制标准为≤1。
三、 压铸模及浇注系统设计
模具采用六面抽芯结构，主要由定模部分、动模部分、成形部分、浇注系统、抽芯机构、顶出机构、排气系统、加热保温装置、定位导向系统等组成。压铸模材质为3Cr2W8V和H13钢，抽芯棒可采用钛合金或高温合金，热处理后其硬度（HRC）达到45以上，通过表面氮化处理后，压铸模具的寿命可达10万次以上。
通常缸体压铸件的浇注系统有两种形式：单侧浇注系统和双侧浇注系统。单侧浇注系统一般用于小型缸体，双侧浇注系统一般用于大型缸体。通过充填和凝固模拟的模流分析软件，可使浇注工艺布置得到优化。
四、 压铸机及压铸工艺
为获得高品质压铸件，温度、速度、压力、时间等关键工艺参数必须满足压铸生产的需要。
1. 温度控制
浇注温度控制在640-680℃。浇注温度过高，则收缩大，铸件容易产生裂纹、晶粒粗大、粘模；浇注温度过低，易产生冷隔、表面花纹和浇不足等缺陷。浇注期间，应确保保温炉内的铝合金液表面氧化层的及时清理，否则，将可能导致氧化夹杂缺陷。
压铸模在使用前要预热到一定温度。在连续生产中，压铸模温度往往升高，温度过高除使液态金属产生粘模外，也导致铸件冷却缓慢，使晶粒粗大、顶出变形等。铝合金缸体模具加热使用6台模温加热器，所有的型芯、镶块等均采用冷却水，使模具工作温度控制在180-200℃范围内。
2. 速度和压力控制
缸体压铸件品质对压射工艺参数的变化非常敏感。
速度过高容易造成铸件中的气体增加；过低则容易造成充填不良。
压射压力过低，铸件中气孔、缩孔等缺陷增加；压力过高，飞边及毛刺等缺陷增加，对模具损害也大。
采取合适的压射速度（压射比压），确定合理的速度转换位置，在凝固之前对铸件实现快速增压（增压比压）。
因缸体尺寸大、结构复杂、壁厚差异大，采用28000kN压铸机，设置慢压射速度为0.2m/s左右，慢压射行程为400mm，快压射速度为5.5m/s左右，最终压力保持在45MPa左右。
3. 时间控制
充填时间长短取决于铸件体积的大小和复杂程度，充填时间与内浇口的截面积有密切关系，并与冲头压射速度直接关联。充填时间最终体现为2级压射速度，即快压射速度控制在4-5m/s。
合金液充填型腔完毕，将进入凝固成形阶段，此时应立即进行增压，使合金液在高压下凝固结晶，大吨位压铸机建压时间控制在30ms以内，小型压铸机可达到10ms。
持压时间的长短取决于铸件的材质和壁厚。持压时间过短容易产生气孔、缩松；持压时间过长则铸件温度低，收缩大，抽芯和顶出铸件时的阻力大，不仅出模困难，同时容易引起铸件开裂，一般取30s。
4. 压铸自动化生产单元的实现
压铸机配备有浇注机械手、喷涂机器人、取件机器人、切边机等周边附属装置，可实现全自动生产，单件节拍为110s。
①合金液保温
通过转运浇包将成分、含气量合格的合金液转至压铸机前保温炉内进行保温，温度控制在640-680℃。
②铸铁缸套嵌入
在缸套嵌压前，缸套需要预热至90℃，避免铝合金收缩应力导致的开裂。
③浇注系统清理
采用自动液压切边机及切边模，切除浇注系统、排溢系统及缸孔内飞边。5.热处理
缸体铸造残余应力包括热应力、相变应力及收缩应力。残留应力降低了铸件的力学性能，影响铸件的加工精度。通过24h自然时效后T5处理，可以达到消除残余应力的目的。下图为T5处理曲线。 

T5处理将导致铸件硬度（HB）下降8-10，通过提高Cu、Si、Mn的含量及适当降低T5处理的温度，可得到理想的铸件硬度。其中，Cu含量的增加，硬度增大效果明显，但材料成本较高，需通过化学成分和温度的正交试验，以确定工艺方案。
硬度测量点见图1中A、B两点。
6.粗加工
为确保交付产品满足后续精加工定位及加工精度，需对毛坯进行粗加工，以消除铸造公差。粗加工范围包含定位孔、主轴承座、缸孔等，均采用加工中心完成。
7.试漏
粗机加后的零件需要进行试漏，分为水套试漏、高压油道、低压油腔。试漏过程主要分为充气、稳压、测量、排气四个阶段。
8.浸渗
针对要求水套泄漏量小于100mL、曲轴箱泄漏量小于500mL的泄漏零件，将进行浸渗处理，使有机浸渗液填补进铸件的细微气孔、缩松中，使缸体达到应有的气密性要求。对毛坯泄漏而言，浸渗只是针对表面缩松、冷隔缺陷零件的返修，其所占比例很小。毛坯在机加工后，厚壁缩松部位才能暴露出来，成品浸渗是重要的返修工艺。允许两次浸渗，浸渗有效率可达99%。