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摘要：目前，对于汽车铝合金发动机缸体采用压力铸造的方法较为广泛。因此，压铸造工艺在汽车发动机缸体铸造中的应用过程，通过缸体模型合理的设计，调整与优化相关工艺参数，可以达到提高合格率的目的。
关键词：汽车发动机；模具设计；低压铸造工艺
引言
下缸体是汽车发动机上的重要零件,其上部与气缸体、下部与油底壳相连；气缸体与下缸体之间安装有曲轴。下缸体在发动机工作过程中的特点是：处于高温状态下工作,承受较大的热冲击作用和承受较大的力,工作条件较为恶劣。下缸体对气密性要求较高。另外,此铸件在缸体的螺栓孔处及水泵孔凸台处较为厚大,极易产生铸造缺陷。选择低压铸造工艺方法,采用合理的工艺参数、模具结构及局部快冷生产此铸件,不仅能解决铸件上厚大部位铸造缺陷的问题,同时也能满足此铸件组织致密性的要求。
1汽车发动机缸体结构
本次研究以GM-L850发动机下缸体为例，铸件重为10.3 kg，轮廓尺寸为471 mm,371 mm和91mm，壁厚平均为4.0 mm。材质是铝合金，这种材料具有力学性能好以及铸造工艺性能好的特点，因此，在汽车发动机铸造中应用比较广泛。为了满足具体的工艺条件，在结构设计中进行的主要措施有两个：①在曲轴孔半圆处对工艺余量增加，以能够在下部形成一个厚大部位；②为了能够对模具结构简化，可以不铸出产品机械加工斜孔。发动机铸件结构如图1。
2发动机缸体铸造模具设计
铸造模具设计中所采用的是UG软件CAD模块，依照具体的工艺和产品毛坯三维模型，实施分型拆模，从而得到模具型芯、型腔、滑块以及镶块等，之后将这些模具分型与标准或者是非标准零件结合实施装配，经过一系列干涉检查、成型分析等流程之后，也就能够获取模具。在进行模具三维设计中，重点是要表而形成分模成型特征，其他特征则较易实现。汽车发动机缸体模具工作流程如图2.
3模具设计
3.1模具结构形式
为了顺利开模，模具分型要采用多分型面，模具有6个方向开模，分别是：底模、顶模、右模、左模、前模及后模（具体模具结构见图3）。
顶模 2.左模 3.后模 4.前模 5.右模 6.底模
3.2模具型腔尺寸
计算模具的型腔和型芯尺寸时，首先根据铸件的基本尺寸加上其平均公差得出铸件的平均尺寸，然后考虑合金的线收缩和涂料层厚度。由于模具在较高温度下工作，还应该考虑其热膨胀量。
3.3模具壁厚的确定
到目前为止，尚无确定最适宜壁厚的可靠而简单的计算方法，一般是根据经验来确定。下缸体铸件的模具综合考虑了各种因素来确定其壁厚，一般最小处的壁厚不得小于30mm。
3.４模具冷却系统设计
正常生产过程中传入模具的热量和从模具中传出的热量应达到平衡。
这就要求在模具上设置水冷系统，以及时将传入模具的热量传出。通过调整通入模具冷却水的时间及流量来控制模具各部位的温度。对于铸件上远离浇道的水泵孔凸台处的厚大部位，易产生铸造缺陷；在模具上采用局部水冷的措施来控制此部位的模温，以使该厚大部位最先凝固，确保此部位的组织细密。
3.５模具保温浇注槽设计
对于一般单浇道的低压铸造模具，不用设置浇注槽，铝液直接通过升液管进入铸件浇道。但下缸体有多个内浇道，必须设置浇注槽（熔池式输液过道），浇注槽的结构设计应具有保温作用，可以在浇注槽的外侧设置电阻丝对其进行加热且在浇注槽的空腔里填上石棉保持度，以确保铝液在槽内不凝固。
3.６排气系统设计
该模具排气方案，在分型面处设置宽15mm深0.15mm、中心间距为30mm的排气片；模具中的深腔处设置针孔式排气塞；无法排气的大面设置蓄气槽；另外顶杆孔及涂料也可以排气
3.7模具材料选用
模具型腔材料选用热作用模具钢H13，调质后硬度（HRC）为38-42，导向块耐磨块等采用GCr15，淬火后硬度（HRC）为60-65，模架材料选用Q235A，其余材料采用45钢或HT250铸件。
4发动机缸体低压铸造流程设计
在汽车发动机缸体低压铸造生产中首先需要对模具型腔实施喷砂处理，并对其进行油脂和污垢去除，将模具预热到（200±20）℃之后进行喷涂料，并对其分型而进行清理，内浇道上刷上浇道专用涂料，之后继续将模具加热，直到温度达到（280±20）℃ ,备用。在模具准备完毕之后即要准备浇注槽以及升液管，首先将电阻缠绕在浇注槽上，一定要用石棉将其包住并且塞紧，用石棉涂料进行浇注槽内表而涂刷，涂刷厚度通常为3-6 mm，之后进行表而加热以及涂料喷刷。用钢丝刷将升液管内外壁表而全部都清理干净，在进行加热之后实施表而涂料喷刷，然后还要将铝液进行集中熔化并且温度达到(740±110)℃之后，将铝液放置在中转包中进行精炼除渣，确认铝液合格之后即可以进行浇注。浇注过程中模具温度不能够低于450℃，在温度达到600℃后可以直接断电，不进行加热。如果模具已经喷好涂料，则可以对型腔、冒口以及分型而上的脏物进行清理。在开合模具中必须严格依照正确顺序：先合前后模，再合左右模，再将型腔内的残留物和涂料吹净之后，将上模合模到位，最后设定低压铸造参数实施浇注。
4模具设计容易出现的问题及解决方法
4.1排气块的设计缺陷
排气块上减速位设计不合理：四个减压和减速位置，因铝液的厚度和宽度较大，速度和压力集中，而且排气块的封料位置小，导致铝液飞出排气块，必须取消这四个角位，改为扇形排气方式即可。
模仁上减压位置设计不合理：模仁上这两个减速减压包距离模仁边缘太近，导致封料位置太小，铝液飞出模仁；解决方式就是将这个布局整体向模仁中间靠拢，扩大封料距离。
排气槽宽度设计不合理：排气槽这段的宽度设计不合理，而且深度较大，铝液到达这个位置的速度和压力很高，封料位又小，造成铝液飞溅出来；解决方式就是分成单股排气通道，并加宽排气板的宽度，保证压力向前传递。
排气块的外形设计不合理：这种设计主要是箭嘴所指两端向边缘扩张太大，而且深度超过1mm，压力和速度极易传递，导致过小的密封面封不住料，铝液飞出排气块；解决方式就是封掉两端的通道即可，保证压力和速度向前传递。
排气块的导向角太大：排气块的导向角度太大，此位置处铝液的速度和压力还是较大，封料距离小，导致飞料；解决方案就是减小两条边线的导向角，保证压力和速度向前传递。
4.2模具加工工艺孔和回针孔位置不合理
排气道附近工艺孔设计不合理：排气道附近工艺孔设计不合理，距离太近，极易进铝液导致分型面合模不到走披锋；这个位置不能添加工艺孔，工艺孔只能在远离铝液的位置。
流道附近工艺孔设计不合理：这两个工艺螺丝孔位靠流道太近，极易进铝料产生披锋导致合模不到位；流道位置附近不能有工艺孔。
螺丝的固定方式设计不合理：行位压排的固定螺丝设计不合理，杯头易进铝料导致合模不到位；必须改成从对面锁或者将排气块设计远离压排。
5结束语
经过合理的模具设计和浇注工艺参数设置，生产的汽车发动机缸体铸件外观完整，品质优良，并且提高了生产合格率以及模具日产量。
参考资料
[1]关于高质量汽缸体铸造工艺问题的探讨[J]. 陈位铭,黄河.铸造. 2006(11)
[2]铸造工艺对一种铸造高温合金性能及其稳定性的影响[J]. 陈伟,李长春,李辉,陈光,楼琅洪.铸造. 2005(09)
[3]气缸体铸件裂纹缺陷的消除[J]. 叶小芳.铸造技术. 2013(06)
[4]铸造铝合金发动机[J]. 肖九梅.模具制造. 2013(03)
论文作者:徐龙军
论文发表刊物:《基层建设》2016年第34期
论文发表时间:2017/3/20
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