摘 要：基于压铸成形技术，研制出汽车发动机下缸体压铸件。 针对铝合金下缸体压铸件存在的内部缩松、气孔缺陷等问题，提出了相应的解决措施，并给出了优化方案。 最终获得质量轻且内部组织致密的下缸体铝合金压铸件。
关键词：压铸成形 ；下缸体； 铝合金
目前，采用压铸成形技术来生产铝合金铸件已成为行业趋势。 传统的铸铁缸体生产成本低、刚性好、耐热性好、生产工艺简单；然而其质量较大，与汽车轻量化设计理念不相符。
为减轻汽车发动机质量，同时保留铸铁缸体性能优势；现将发动机缸体上部缸套部分与下部曲轴部分分离制造。 上部缸套仍采用铸铁制造，下部曲轴部分则采用铝合金制造。 分离出来的曲轴部分称为发动机下缸体。 发动机下缸体各部分壁厚差异较大，压铸成形难度高。 本课题基于压铸成形技术，成功将其用于制备汽车发动机下缸体；并获得了质量轻且内部组织致密的产品。
1 下缸体结构及其压铸难点

图 1 为汽车发动机下缸体铝合金铸件。 该铸件外部轮廓大小为 384 mm×256 mm×68 mm， 质量大小为 8.4 kg，平均壁厚大小为 7.2 mm；其压铸质量大小为 11.3 kg， 材料为 A380。 因下缸体与曲轴直连，于是需将 5 个铸铁轴承座(镶嵌件)布置于下缸体底部。
结合图 1 中发动机铝合金下缸体结构，发现其压铸难点在于：①铸件壁厚极不均匀，最大厚度为25 mm，最小厚度仅为 2 mm，压铸时极易形成缺陷；②下缸体底部需布置 5 个铸铁轴承座， 其要求定位精确且不能与铝合金分离； ③铸铁镶嵌件布置处两侧壁厚最大为 7 mm，最小仅为 2 mm。 这不利于合金液的平稳充型与凝固补缩； ④铸件形状不规则处较多，容易出现缩松、缩孔、裂纹和气孔等缺陷。
2 铝合金下缸体压铸成形技术
发动机铝合金下缸体压铸成形技术要点如下：（1） 设计合理的浇注系统。 如图 1 可知下缸体上下两端壁厚较大，中间镶嵌件布置部位壁厚较小，故选用单侧浇注系统。
（2） 采用真空压铸技术，选用齿形激冷排气块。真空机配合齿形激冷排气块， 既可解决排气集渣问题， 又可消除因镶嵌件两侧壁厚过小而降低合金液流动性问题。
（3） 预热铸铁镶嵌件。对铸铁镶嵌件的预热，可提高镶嵌件与合金液的润湿程度； 确保铸铁镶嵌件与铝合金在铸件成形后不发生分离。此外，镶嵌件的预热还可提高其附近合金液的流动性。
试验发现，当压铸主要工艺参数如表 1 时，所获得的铝合金下缸体具有致密的内部组织、 成品外形美观。各参数对下缸体品质的具体影响如下：预热镶嵌件至 125～145 ℃，可大幅改善下缸体溢流槽一侧的品质； 控制铝合金液温度处于 645℃～660℃区间， 控制模具喷涂后温度处于 170～210 ℃区间，可使压铸件品质稳定，避免出现铸造缺陷；当慢压射速度约 0.23 m/s，快压射速度约 4.1 m/s，压力 75 MPa时，可获得品质较好的压铸件。 此外，为了获得品质良好的压铸缸体；须保证铝合金液品质，对铝合金液精炼除气。


3 铸件缺陷与消除
3.1 铸件缺陷位置与特征

以上述工艺压铸所得下缸体铸件， 外观成形良好。 进一步采用 X 射线对铸件品质进行检测。 X 射线检测结果如图 2、3。图 2 所示两处位置为铸件缺陷最为严重的部位，这两部位的缺陷主要为缩松和缩孔。其对应的 X光图如图 3(a)和(b)，可清晰地看见缩松和缩孔缺陷(图中圆圈内)。
3.2 消除缺陷的措施
针对上述铸件缺陷，结合下缸体结构特点，经过反复试验，现得到以下措施。
3.2.1 溢流槽结构优化
溢流槽在铝合金下缸体压铸过程中意义重大，其作用为：调节模具温度、型腔排气、存储冷污金属液和转移缺陷部位等。 因此改进溢流槽结构有助于提升铸件品质。


图 4(a、b)分别为溢流槽改进前后的照片。 图 4(a)中 a 处设有 1#、2#、3#和 4#溢流槽。 1#和 3#溢流槽共用一个排气槽，2#和 4#溢流槽共用另一个排气槽。合金液充型时，合金液先填充 2#和 4#溢流槽，通过溢流槽后于排气槽汇合。 1#和 3#溢流槽在 2#和4#溢流槽之后得到填充，填充好的 2#和 4#溢流槽将1#和 3#溢流槽的排气道堵塞，这使得位置 a 处易形成气孔缺陷。 现将 2#和 4#溢流槽延长加大，同时改道至排气槽；保证两排气槽在合金液填充完 1#和 3#溢流槽后汇流。 试验发现铸件位置 b 处缩孔缺陷比较严重。由铸件结构可知，位置 b 处附近有较大型芯结构，易形成涡流裹气。 为此，需在 b 处布置一个溢流槽。为消除铸件中部缩松缺陷，将溢流口布置于铸件大平面上。 同时为防止溢流口的布置减小填充压力，选用竖形溢流口。 以上优化措施，有效消除了铸件内部缩孔和气孔缺陷，提升了铸件品质。
3.2.2 模具冷却系统优化
压铸时，局部温度过高易形成缩孔缺陷。 试验发现，在下缸体压铸过程中，其两侧壁厚偏大部位温度较高，达 285～325 ℃，易形成缩孔缺陷。 在最初的设计中，点冷却管直径 准12 mm；无法对铸件局部温度偏高部位进行有效冷却。 为提高这些部位的冷却效果， 现采用高压冷却设备和内径为 准4 mm的超细不锈钢点冷却管。 选择合适的高压冷却水参数，可降低型芯温度至 175 ℃左右，从而减少铸件内部缩孔缺陷。
4 结论
（1） 优化溢流槽位置、结构和容积，改善排气和集渣效果， 可消除压铸所得铝合金下缸体内部缩松和卷气缺陷。
（2） 采用超细冷却管对铸件进行局部冷却，合理设置冷却参数；可改善铸件厚壁部位的冷却效果，消除缩孔缺陷。