无缸套铝缸体压铸工艺
1. 前言铝是一种轻金属，密度小(2.79/cm3), 具有良好的强度和塑性，铝合金具有较好的强度，超硬铝合金的强度可达600Mpa，普通硬铝合金的抗拉强度也达200-450Mpa，目前已经得到抗拉强度大于700Mpa的铝合金，其比强度可与优质的合金钢相媲美，比钢度甚至远高于钢。铝具有良好的导热性，可用作各种散热材料。铝还具有良好的抗腐蚀性能和较好的塑性，适合于各种压力加工。因此铝合金广泛的应用于机械，汽车各个领域。
汽车引擎已经从全铁材质发展到了全铝材质，其目的是为了减轻车重，而减轻车重意味着可以省油耗。一般使用铝缸体发动机，能减轻20公斤左右的重量。而汽车的自身重量每减少10%，燃油的消耗可降低6%～8%。现在汽油机的缸盖基本上都是铝合金材质，缸体材质也已大量的替换成铝合金材质。
但是我们所说的铝缸体并不完全是全铝的，几乎都要使用铸铁缸衬或者钢制的气缸内衬。那是因为现在的引擎，为了降低往复运动的部件的惯性，提高转速和响应速度，活塞大多使用高硅铝合金作为材料。如果气缸壁也是铝的。铝和铝之间的摩擦系数是比较大的，这样引擎的性能就受很大影响了。而铸铁或者钢制的气缸内衬就没有这样的问题。
但是不可否认的是，现在一些高端引擎已经做到了真正的全铝材质，如Audi 3.1L FSI V6的全铝缸体，就是没有使用铸铁或者钢制缸衬，而是通过气缸内壁部分使用了高硅铝合金来克服降低摩擦系数。其处理工艺非常贵，不过散热性能却得到了很大的提升。
为了真正实现经济可行的无钢套铝合金缸体，国内一部分公司已经率先进行高硅稀土铝合金研制来制造缸体，而且不需要钢套。这种新材料汽车发动机缸体与传统缸体相比，具有降低摩擦功、节油，优化引擎散热，减少废气排放，减轻重量，提高缸体强度，成本降低等优势。
目前某公司的这类缸体已经成功下线，而模具正是笔者公司开发的。笔者主要从缸体成型角度来分析，此类缸体在成型工艺制定时候的难点及要点。
2．铸件结构分析
该铝合金压铸件的实体模型如图1所示，外形尺寸445mm x 378mm x 226mm,最大壁出现在缸筒壁，厚达13.4mm,其余平均壁厚为4mm.，铸件材料为高硅稀土铝合金，是一种硅含量在19-21%wt的过共晶AL-Si系列压铸合金。其Si晶粒的尺寸控制在50微米以下，该种合金具有很好的流动性、气密性、抗热裂性及高耐磨性和低膨胀系数，适于制作汽车发动机缸套、刹车块、泵等零部件材料。
产品质量19.2kg。铸件整体形状复杂，结构多变，壁厚不均匀，特别是缸套处由于不采用预镶缸套，导致壁厚厚大。
图1 1.8T 发动机缸体
3．浇注系统的设计
浇注系统的设计包括浇流道的设计，溢流排气系统的设计，冷却加热系统的设计，
首先确定进料方式。从产品的结构来分析，单侧进料方式比较适合。这样的设计有利于铸件在浇注过程中的排气，避免气体窝在缸筒内，而导致最后在里面出现大的气缩孔。
其次根据压铸工艺及参数做一些必要的计算，来确定浇道各部分的尺寸。先根据流量法及一些经验数值来确定内浇口的截面积。
式中：A内为内浇口截面积mm2；G为通过内浇口的金属液质量，包括溢流渣包的质量g ；ρ 为液体金属的密度g/cm3 ；V为内浇口处金属液的流速m/s ；t 为型腔的充型时间S。
铸件密度取2.7g/cm3；溢流渣包的质量取压铸件质量的30% ，得G=25000 g；对于该缸体，取V=60m/s ，t=0.08s ，计算得到A内=2200mm2
铸件体积为7117cm3，取浇口渣包为铸件的45% ，则总体积为10319cm3。铸件在2500T卧室冷室压铸机上使用,根据投影面计算的胀型力为1920T，在安全区内。料筒长度为960 mm,为使料在前期料筒内填充不出现紊流卷气，料筒填充率最好控制在在40%至50%区间内，此处选上限。 故经计算取整得到料筒直径为160 mm。
因为缸体铸件轮廓大，结构复杂，常规的排气在浇注时很很容易卷气。而且此缸体铸件的特殊性，在溢流排气方面采用真空抽气方式。真空压铸能显著的减少气孔，使组织更加致密，提高铸件的力学性能。另外减小充型反压力，成型性能好，使表面质量得到改善。如图（2）所示，铸件后半部分的溢流排气集中到一起，最终汇到2块排气板上，再由定模侧排气板抽真空实现模具的抽气方式。
图2 真空抽气方式
模具温度是影响压铸件质量的一个重要因素。大多数形状简单，压铸工艺性好的铸件对模具温度控制要求不高，模具温度在较大范围内变化仍能制得合格的铸件。对于复杂的铸件，只有将模具温度控制在狭窄的区间内，才能生产出合格的铸件。模具温度控制是通过模具的加热冷却系统来达到的。其主要目的是提高压铸件内部质量和表面质量，稳定压铸件的尺寸精度，提高压铸件的生产效率，降低模具热交变应力，提高模具使用寿命。从前面论述的产品结构来看，缸筒厚大区域是热节区域，凝固肯定会比其他区域滞后，故这里需要合理的设置冷却系统。如图（3）所示为缸筒处水冷却结构。缸筒周壁内布置有螺纹型冷却，冷却壁厚控制在12mm左右。这样的设计能有效的减低此处的温度，使该区域的金属液提前凝固。
图3 缸筒镶件水冷方式
4．有限元数值模拟分析
为了有效的验证理论数据，笔者采用专业的数值模拟软件Magma对铸件的浇注过程和凝固过程进行模拟分析。以下是模拟得到的数据截图。
图（4）为铸件在充型过程中分别达到30% ，50%，70%和90%的状态示意图
图4 模流充型状态
从模拟的数据可以得到，进料处的流速最快时达到63m/s左右，与理论设计值基本吻合。从冲型状态可以看出，流态是中间快，两侧慢，未出现包气区域。流道设计有利于铸件的排气。
图（5）为铸件在凝固过程中分别达到30%，70%，90%和99%的状态示意图。
图5 模流凝固状态
从以上的视图可以看出4个缸筒和进料区域是后凝固区域，属于热节区域，符合原来的设计初衷。
5．实际浇铸及调试
模具完成后，进行了第一次调试，未抽真空，缸筒处的水冷处于工作状态。铸件浇注后的状态如图（6）。可见铸件完整，外观可以。
图6 首次调试铸件
不过解剖之后，在缸筒处内部出现分布区域广，粗大的气缩孔，详见图（7）。
图7 首次调试铸件内部缺陷
经过分析，原因为气未排干净，4个缸筒处的水冷效果未达到效果。原因在于在首次调试阶段，没有用真空抽气装置，内部的气体残留比较多。而且使用的冷却水压偏低，为4bar。
笔者有针对性的对前面的调试结果进行了改善，将排气板上的排气总面积从1.32cm2增大到3.08cm2，并使用抽真空装置。将冷却水压控制在8bar。然后进行了第2次调试，进行的X光透射如图（8）。 可以看出，缸筒处的气缩孔得到了很大的改善，符合铸件质量要求。
图8 第2次调试铸件缸筒处X光透射
4．结论
综合以上，随着汽车工业的发展，无缸套铝缸体研发应用具有极为重要的意义，它的发展应用会越来越广。所以材质的研究，制备，产品成型工艺的研究也变的尤有意义。产品铸件在实现大批量生产前，由于产品结构的特点，需要不断的对模具工艺和结构进行完善。从笔者开发的首款国内无缸套铝缸体经验来看，以下几点需要着重关注。
1.首要需要解决缸筒处的气缩孔问题。真空压铸和有效的冷却系统对铸件缸筒的内部质量有很大的帮助。
2.由于缸筒处过大的包紧力，往往会对缸筒镶件造成过大的抽拔阻力，常规的镶件容易损坏，对未来的量产带来影响。 需要设计合理有效的缸筒镶件结构，并对其进行表面处理，降低表面的摩擦系数，以使模具脱摸减少对模具的损伤。
作者:姚杰 男 1970年出生 硕士学历
现任宁波合力模具科技股份有限公司付总经理
中国模具协会技术委员会成员
E-mail：yaojie70@163.com
