低压铸造技术能够使铸件在压力作用下充型和凝固结晶，因此被广泛用来生产大规模制造的发动机气缸盖等。随着信息技术的不断发展，智能铸造也越来越受关注。低压铸造技术正朝着轻量化、数字化和智能化的方向发展，通过采用数值模拟软件，可以直观分析温度、压力和冷却速度等工艺因素对铸件凝固结晶过程的影响，预测分析铸件充型凝固时的卷气、热节和重点位置的缺陷发生情况，采取相应的工艺措施改善铸造致密度和热力学性能。针对摩托车发动机的铝合金单缸缸盖结构紧凑、壁厚不均匀和砂芯形状复杂等特点，分析研究铝合金缸盖模具结构和砂芯设计特点，运用MAGMA软件模拟分析铝合金缸盖低压铸造的温度、压力和冷却速度等因素对凝固组织的影响。采用低压铸造进行生产，对其模具进行工艺优化和改进，旨在为同类产品生产提供参考。

图文结果

图1为摩托车发动机的单缸铝合金缸盖零件图。可以看出，零件结构紧凑、壁厚不均匀且内部形状复杂。运用MAGMA软件对缸盖的模具整体结构设计和充型凝固过程进行模拟研究，并运用缺陷计算分析功能预测缩松缺陷。采用正交试验方法对缸盖低压铸造的充型温度、模具预热温度、压力和冷却时间进行4因素比较验证分析，在相互作用的工艺因素中找出权重影响因子进行精细化控制。提高铝合金缸盖铸件内部尤其是燃烧室重点位置的组织致密度。

摩托车发动机缸盖铸件轮廓尺寸为216mm×170mm×127mm，材质为A356铝合金，质量约为6.3kg，壁厚不均匀。由于铸件的6个视角方向上的型面均较为复杂，有不同的凹凸起伏形状，所以外侧外形需要分开多个模具组件来成形，见图2。缸盖模具的外部结构由上、下模和4个侧模共6个部分组成，模具各部分组件材料均为SKD61耐热钢，缸盖上部外形部分在上模形成，侧面四周形状分别由前、后侧模和左、右侧模组成，下模形成燃烧室内腔，同时在下模设计了浇注系统并用于放置砂芯及定位。由于缸盖整体结构复杂紧凑，内部壁厚不均匀、变化较多，金属液在型腔内的不同局部凝固收缩应力差异较大，因此在壁厚较大的局部位置凝固过程中，容易产生热节引起缩松和缩孔缺陷，特别是在铸件最后凝固的部位容易出现热节形成缩松和缩孔缺陷。

图1 摩托车发动机的单缸缸盖零件图

图2 摩托车单缸缸盖模具结构设计图

图3 摩托车缸盖内部砂芯设计图

由于缸盖的最底部较厚，为了确保低压铸造过程金属液充型和顺序凝固的顺利进行，以及降低浇注系统的热损失，低压铸造的浇口安装在铸件的底部厚壁位置，并尽量避开燃烧室薄壁的位置。为了能在短时间完成铝合金液迅速注入型腔，浇注系统设计分成4个梯形圆柱体分浇口同时向模具中注入铝液，铝合金液在低压铸造气压作用下经升液管进入浇注系统后再进入型腔。每个浇口最大尺寸为ϕ20mm，具体的浇注系统和升液管见图4。

燃烧室区域在摩托车行驶过程中承受反复多次的高温燃烧工作及产生动力输出，对燃烧室区域铝合金内部组织致密度和尺寸精度要求较高。所以缸盖低压铸造生产的首要品质目标要求为保证燃烧室区域位置的致密度，减少该区域凝固缩松的发生。利用CAE软件从低压铸造充型温度变化和凝固率两个方面对缸盖低压铸造进行数值模拟，预测铸件可能出现的缺陷，并为重点区域的凝固结晶质量改进提供依据。

燃烧室区域在摩托车行驶过程中承受反复多次的高温燃烧工作及产生动力输出，对燃烧室区域铝合金内部组织致密度和尺寸精度要求较高。所以缸盖低压铸造生产的首要品质目标要求为保证燃烧室区域位置的致密度，减少该区域凝固缩松的发生。利用CAE软件从低压铸造充型温度变化和凝固率两个方面对缸盖低压铸造进行数值模拟，预测铸件可能出现的缺陷，并为重点区域的凝固结晶质量改进提供依据。

图4 缸盖低压铸造浇注系统设计图

表1 铝合金缸盖低压铸造数值模拟初始参数

图5 缸盖低压铸造充型过程温度场模拟

图6 缸盖低压铸造凝固冷却模拟及缺陷预测

缸盖低压铸造凝固品质受到铝液温度、模具预热温度、压力增速和凝固冷却控制等多方面工艺因素交互影响。为进一步精准优化工艺设计，选择缸盖低压铸造中的铝液温度、增压压力、模具预热温度和充型冷却时间4个因素作为试验因素，按4因素3水平（见表2）进行正交试验模拟，共生成9个参数组合方案见表3。通过铸件的缩松体积大小对凝固品质进行评价判断，缩松率的数值越大，则说明缩松和缩孔缺陷的产生趋势越大。

表2 正交试验因素水平表

表3 正交试验方案结果

低压铸造机的冷却系统采用多通道时序冷却进行冷却控制，控制模具局部的温度变化延长铸件冷却时间，特别适合缸盖这类冷却顺序较复杂的铸件。图7为缸盖前后侧模内冷却通道位置设计，表4为缸盖前、后侧模冷却时序控制表。为了实现铝合金单缸缸盖低压铸造自上而下的凝固顺序，通过模温机控制前、后侧模的冷却回路时序开闭。在铝液进入型腔后开启，并依照编号1号、2号、3号的冷却顺序依次开启和关闭，其中2号与5号同步冷却，3号与6号同步冷却，1号与4号同步冷却，从而起到辅助缸盖低压铸造自上而下进行凝固顺序的作用，实现真正意义上的模具温度-冷却时间时序控制。

图7 缸盖侧模冷却回路图

表4 缸盖前、后侧模冷却时序控制表

图8 压力设置曲线及优化后的缸盖冷却凝固模拟验证

结论

（1）从低压铸造铝合金缸盖充型凝固的模拟结果可以看出，燃烧室区域由于补缩通道容易被截断成为孤立液相，因此最有可能产生缩松、缩孔和气孔缺陷。
（2）通过正交试验采集缸盖低压铸造各种不同工艺影响因素，进行不同组合方式的模拟仿真试验，找出缸盖低压铸造工艺因素中最大的影响因子为压力控制和冷却凝固控制。
（3）根据正交试验工艺因子极差排序结果，在缸盖低压铸造生产时对保压压力的精细化分段和冷却通道的自动化开闭时序控制，实现缸盖低压铸造的数字化凝固质量控制。

本文作者

谈毅 江丽珍 刘臻炜 卢健能
广州城市理工学院机械工程学院
本文来自：《特种铸造及有色合金》杂志，《压铸周刊》战略合作伙伴