文：一汽铸造有限公司成都有色铸造分公司 蹇 超
摘要：叙述了EA211缸体的压铸生产背景，生产验证了3种压铸工艺对缸体轴瓦区域致密性的影响，确定了采用局部挤压工艺作为铝合金缸体的压铸工艺，描述了局部挤压工艺中3个工艺参数对轴瓦区域内部致密性的影响。
关键词：铝合金；缸体；挤压
汽车轻量化，就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整车质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。实验证明，汽车质量降低一半，燃料消耗也会降低将近一半。由于环保和节能的需要，汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。随着汽车工业的发展，铝合金压铸件的产量每年以13%的速度增长，其产量占压铸件产量的75%以上。
大众汽车 （Volkswagen） 是一家总部位于德国沃尔夫斯堡的汽车制造公司，也是世界四大汽车生产商之一的大众集团的核心企业。EA211发动机是大众旗下新型汽车发动机，是以轻量化和节能环保为主要特点的铝合金发动机，同时也是首款在四缸引擎上采用气缸关闭系统的发动机。EA211可以看做是EA111的升级产品，在技术上和EA111有许多差异，该产品在轻量化、提升功率、扭矩指标以及降低减排等方面，均处于国际领先水平。
1、 缸体铸件参数及缺陷
EA211 发动机的核心备件之一为EA211缸 体。EA211缸体合金材料为Al Si9Cu3，为典型的压铸铝合金，其外形尺寸为377 mm×274 mm×320 mm，平均壁厚为6～10 mm，其中瓦座
位置壁厚为10～15 mm，超过平均壁厚。铸件最终将在图示位置增加螺纹孔，以便于将瓦座固定在缸体上。瓦座区域如果存在缩松等内部质量问题，极有可能造成发动机泄漏、瓦座异响、瓦座脱落等严重问题。因此，瓦座区域内部质量之于EA211缸体整体质量和性能的重要性就不言而喻了。 本文着重探讨EA211缸体轴瓦区域内部质量的改善。
2、三种试验对比分析
试验方案设定。试验原材料为AlSi9Cu3，压铸机型号为布勒270D。针对目前对于轴瓦区域的处理，主要有以下3个手段，即：直接铸造成形，添加预铸孔，局部挤压。作者首先比较了3种情况下轴瓦区域的质量，然后对3种中质量较好的局部挤压进行系统研究，分别研究了延迟时间、持续时间及退出时间对轴瓦区域内部质量的影响，并得出了综合性的结论。图2为局部挤压中挤压销工作阶段及位置图。
试验1设置了3种试验方案，X光探伤试验结果见表1及图3。
图3中可以看出，图3c的内部质量最好，整个区域未发现明显的缩松、缩孔。图3b中在增加的预铸孔周围，内部质量良好，这与所增加的型芯所形成的局部“冷铁效应”密切相关。图3a中，在轴瓦区域的下方区域，形成较为均匀的缩松，这是因为厚壁部位最后凝固造成的。上述3种试验方案，在铸件加工完成后进行试漏，泄漏率越来越低，主要的原因在于：方案1中，在后续的机加螺纹孔后，促使内部缩松与机加孔之间形成微观上的连续通道，造成铸件的泄漏；方案2增加预铸孔后，泄漏率大幅度降低，主要原因是在预铸孔后，预铸孔周围0.5～1.5 mm的范围内内部质量更加致密，且引起局部凝固方向的改变，某种程度上相当于减小了该厚壁区域的壁厚。图4是方案1、2、3对应的泄漏机理示意图。其中，白色为预铸孔或机加孔，圆点为内部的缩孔 （缩松在图中未示出，实际缩松对泄漏的影响比单独的缩孔严重得多）。
3、 缸体局部挤压试验分析
3.1 挤压持续时间的影响
一般认为，局部挤压有利于改进轴瓦区域的内部质量。但是，从缸体压铸行业的时机应用角度来看，并非是在使用局部挤压后铸件相应区域的内部质量均有改善，主要原因在于挤压参数对内部质量影响未能彻底搞清楚。本试验目的为明确挤压持续时间对质量的影响，表2为局部挤压试验中挤压销持续时间试验参数设计的详细情况。
表2 挤压销持续时间试验参数设计
从挤压后深度的角度来判断局部挤压对该区域质量的影响，主要依据在于当挤压后深度越深，该区域的内部质量越好，CT光下观察该区域存在的缩松、缩孔越少。图5为挤压持续时间为变量条件下，挤压销深度及挤压销位置的关系图。可以看出对应同一组参数，挤压销位置1与位置5的深度较浅。主要原因之一在于挤压油压在不同位置而略有分布不均。
图6为不同挤压销位置的CT扫描结果 （试验方案为a-6）。图6a为位置1轴瓦区域CT扫描结果，缺陷区域最大尺寸为17.67 mm；图6b为位置2轴瓦区域CT扫描结果，缺陷区域最大尺寸为1.80 mm；图6c为位置5轴瓦区域CT扫描结果，缺陷区域最大尺寸为11.59 mm。
图7为位置1挤压销深度与挤压持续时间的关系。由图7可以看出，随着挤压时间的减少，挤压销的深度逐渐降低。因为在挤压过程中，铸件处于增压保持阶段，若挤压销持续作用时间变短，可能导致轴瓦局部区域向挤压销缩回方向膨胀。
表3是挤压时间与挤压销深度的关系表。由表中的a-5与a-6试验，可以看出：随着挤压时间的缩短，可能导致挤压结束后在增压作用下，铝液往挤压销与模具的间隙处溢出，即在缸体挤压销位置表现出溢铝现象。
图8是缸体在挤压后溢铝的图片。主要原因在于：当缸体在压力保持阶段，铝液未完全凝固期间，挤压销产生的挤压力回撤，导致表面已经固化的挤压销位置由于受增压产生的内力过大，而导致未凝固铝液冲开已经凝固的表层，形成突状物。图8所示位置亦可以从另一方面说明，挤压销在a-1、a-2、a-3、a-4所反映出来的规律，即中间位置挤压销深度较深。
3.2 挤压延迟时间的影响
挤压延迟时间与缸体挤压销深度关系的试验结果
见表4。
图9是在挤压延迟时间为变量条件下，挤压销深度与挤压销位置的关系图。可以看出，依然是挤压销的深度与挤压销的位置直接相关。同时，对于相同位置挤压销，随着挤压延迟时间变长，挤压销的深度变浅；当延迟时间＞2 s时，延迟时间越长，挤压的深度越浅。主要的原因在于：金属液在靠近模具侧快速冷却后，由外表面向内固化。当延迟时间＞8 s时，从内至外的固化层深度已达到一定厚度，此时对之进行局部挤压，首先引起的可能不是铸件内部致密度的增加，而是表面固化层的变形 （图10）。
3.3 退出时间的影响
本试验主要考虑退出时间对挤压销深度的影响。从表5可以看出，退出时间对挤压销深度，即内部质量的影响不大。
4、 结论
（1） 局部挤压能够明显改善铝合金缸体轴瓦部位的致密性，降低泄漏率。
（2） 一定范围内，挤压持续时间对挤压深度呈正相关，轴瓦区域致密性越好。
（3） 挤压延迟时间在＞8 s时，挤压深度下降明显，轴瓦区域内部致密性越差。
（4） 挤压退出时间对挤压销深度影响不明显，对内部致密性影响最小。
