锻件铸件凹坑测量方法（基于下缸体铸件局部挤压技术研究）

锻件铸件凹坑测量方法（基于下缸体铸件局部挤压技术研究）浇注系统采用单侧鹰嘴式浇注结构（见图2），内浇口面积为1 600 mm2，压室直径为120 mm，压室充满度为28.5%，保温炉内铝液控制温度为(675±15)℃。结合抽真空系统使气孔减少以及采取高压点冷工艺平衡模具温度，同时将5个铸铁镶嵌件在电阻加热箱升温至200 ℃，并通过专用机械手夹持准确放入对应模具定位销钉中。【缺陷分析】该下缸体铸件材料为EN AC 1706-AlSi9Cu3（Fe），化学成分见表1，要求铸态试棒抗拉强度大于240 MPa 屈服强度大于140 MPa，伸长率大于1%。外形轮廓尺寸为414 mm×378 mm×72 mm，平均壁厚为７mm，铸件质量为6.92 kg。该下缸体与曲轴连接部位安置5个铸铁镶嵌件，经后续加工成为发动机轴承座(见图1)，5个铸铁镶嵌件应在每次生产合模前定位在模具定模，压铸后与铝合金一体，且不允许分离，含铸铁镶嵌件的铸件总质量为9.66 kg。

铝合金下缸体是汽车发动机核心零件之一 汽车发动机下缸体上部仍采用铸铁，下部采用铝合金，既保持了铸铁缸体的优点，又减轻了缸体的质量。黄志垣等研究了汽车发动机铝合金下缸体的压铸技术及品质控制，提出合理设计溢流槽结构、位置和容积，强化排气集渣是解决下缸体内部卷气、缩松缺陷的重要方法，并提出镶嵌件预热可提高润湿性及铝液的流动性，降低镶嵌件与铝合金分离缺陷的概率；黄美莲等进一步根据某下缸体的结构特点，设计了鹰嘴式进料和区域排气抽真空的浇注系统，有效解决了下缸体铸件成形困难、内部卷气、缩孔、缩松等问题；设计了铸铁镶嵌件的合理安装定位，确保模具连续正常生产。

【研究亮点】

以往研究多是论述宏观上铸件整体浇道布局与镶嵌件的使用，并没有详细研究设计过程中局部挤压各个参数，本课题在整体布局基础上，借助模拟分析等手段深入探讨局部挤压体积、挤压压力、时间、销钉的结构等技术要点。

【铸件概述】

该下缸体铸件材料为EN AC 1706-AlSi9Cu3（Fe），化学成分见表1，要求铸态试棒抗拉强度大于240 MPa 屈服强度大于140 MPa，伸长率大于1%。外形轮廓尺寸为414 mm×378 mm×72 mm，平均壁厚为７mm，铸件质量为6.92 kg。该下缸体与曲轴连接部位安置5个铸铁镶嵌件，经后续加工成为发动机轴承座(见图1)，5个铸铁镶嵌件应在每次生产合模前定位在模具定模，压铸后与铝合金一体，且不允许分离，含铸铁镶嵌件的铸件总质量为9.66 kg。

(a) 正向视图 (b) 反向视图

图1 下缸体

【缺陷分析】

浇注系统采用单侧鹰嘴式浇注结构（见图2），内浇口面积为1 600 mm2，压室直径为120 mm，压室充满度为28.5%，保温炉内铝液控制温度为(675±15)℃。结合抽真空系统使气孔减少以及采取高压点冷工艺平衡模具温度，同时将5个铸铁镶嵌件在电阻加热箱升温至200 ℃，并通过专用机械手夹持准确放入对应模具定位销钉中。

图2 下缸体浇排系统

该下缸体主要的缺陷为缩孔和泄漏，并且缩孔和泄漏缺陷为同一位置的两种不同表现形式。通过XG-160S T/C型号X光机检验观测 缩孔集中于浇口对侧的镶嵌件后部，该部位局部厚度为22 mm（见图3），缩孔呈弧形弯折卷曲在第三档后端部位，两点测距可知，该孔洞长度大于20 mm，深度为3 mm。后序加工该部位为直径20 mm的通风孔（见图4），孔内表面存在明显的不规则暗黑色孔洞，肉眼可见该孔洞内表面粗糙，孔洞内壁呈现树枝状结晶铸造凸起；在显微镜下观察，该位置孔洞含有少量的内壁光滑白亮的孔洞，内表面近似球形，证实该部位的孔洞是以缩孔为主，还含有部分气孔夹杂其中。

图3 X光检测缩孔

图4 加工后的缩孔

借助Anycasting6.0模拟软件进一步的分析缩孔和气孔产生的原因，在填充过程中发现，铝液低速通过浇注系统以及鹰嘴式内浇口，进而高速向下填充靠近浇口一侧缸体模具型腔，随后合金液体冲击包裹5个铸铁镶嵌件，并在镶嵌件后端卷气产生涡流，在填充第0.43s（见图5），有气体卷入铸件第三档末端，同时渣包入料口被封闭，气体不能通过排气道排出；在凝固分析过程中可知，铸件的凝固首先是以5个铸铁轴承座为核心向周边逐渐凝固，随后排气道及渣包以及浇口部位逐渐凝固，最后凝固位置存在于轴承座后端20 mm左右区域（见图6），该区域远离浇口，难以通过压射冲头增压补缩，凝固过程中无法得到有效的补偿，因而产生较多缩孔缺陷。由上述分析进一步证明 第三档的孔洞表现形式为缩孔与气孔的复合。

图5 填充第0.43s

图6 凝固4s

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解决缩孔问题通常采用优化浇注系统及压铸工艺参数、合理布局冷却以及改进铸件结构等。当常规的技术手段不能达到理想的效果时考虑采用局部挤压技术。局部挤压技术是在充型完成后金属液开始凝固，但未完全凝固前，对局部施加较高的机械压力，使其成形和凝固，对局部缩孔（气孔）位置进行强制补缩从而使铸件达到质量要求 。实现局部挤压工艺需要考虑压铸模具挤压作用点、挤压力、压入体积以及挤压延时和挤压持续时间，进而确定压杆的直径、油缸的尺寸等。

根据凝固原理，对于结晶时体积收缩的金属与合金，不论是匀质形核还是异质形核，增加压力，均减小临界形核尺寸和形核功，有利于形核。局部挤压时铝合金处于液固共存的状态。挤压销承受铸造压力、油缸推出力以及与挤压套的摩擦力共同作用，油缸作用于挤压销钉的压力须大于铸造压力（60~100 MPa），挤压销钉才能运动；另一方面，挤压销钉的压力不必超过固态材料的抗压强度，过大的外部压力将使被挤压区域产生挤压裂纹等缺陷。根据经验一般控制挤压力为3~4倍铸造压力，选择铸造压力为90 MPa，有效系统油压为12 MPa。取油缸直径为80 mm。

在压铸中，液态收缩、凝固收缩是铸件产生缩孔、缩松的基本原因；固态收缩则是铸件产生铸造内应力、变形及裂纹的基本原因。补缩的体积可以通过模拟分析软件中局部残余溶体模数作为参考，或者通过经验参数进行计算。对于AlSi9Cu3（Fe）合金，局部挤压最佳温度区间 为 550～570 ℃ 。在铸件开始局部挤压前温度为550 ℃左右，材料密度为2.6 g/cm3 局部挤压后其组织致密，期望达到2.7 g/cm3 如果没有补缩措施大约产生4%左右的缩孔，并且缩孔截面往往呈现无规则的形态 。结合数值模拟的缩孔情况分析，下缸体在浇口凝固后，镶嵌件后端尚未凝固的体积大约为44 000 mm3，因而需要补充的材料体积为V挤压=1760 mm3

挤压销的基本结构见图7。

图7 挤压销结构图

为保证生产的连续，在制造挤压销和套筒需要考虑组件的间隙和硬度。由于该部位承受600 ℃以上的高温以及270 MPa的高压，过小的间隙使组件间摩擦阻力大，容易产生挤压销被卡滞在挤压套内，从而中断生产；反之，过大的间隙将导致铝液窜入挤压销与套筒之间，形成环状披锋，同样卡滞导致停机。由实践得知，0.04 mm左右的间隙数值较为合理，可以连续生产3000~5000件产品。

图8为挤压销运动过程，套筒前端与模具贴合，有图8a可知挤压前销钉前端与挤压套平齐，并与模具前端面距离16 mm，由图8b可知挤压销在挤压缸作用下向前运动15 mm，保留挤压杆与模具前端面保持1 mm距离。由图8c为防止应力集中，模具前端面有圆角R1 该挤压结构的优点为方便机械手对挤压区域喷涂防止过热，缺点是在铸件上产生环形凸台，需要后续机械加工去除。

（a）挤压前 (b) 挤压后 (c) 挤压前端结构

图8 挤压销运动过程

挤压后的铸件见图9。在挤压过程中，接触挤压销前端的合金含有表面硬化层，对铸件挤压点前端产生压痕甚至产生微裂纹，横向剖切挤压点下方0.2 mm左右看到压痕，随着横向剖切深度的增加压痕逐渐减小直至消失，见图9b。由此，挤压后的铸件保留1mm的端面余量是合理的。

(a) 纵向剖切挤压点 (b) 横向剖切挤压点

图9 挤压后的铸件

当金属液处于半固态状态时开始施加挤压压力可获得最佳的挤压效果。挤压延迟时间过早，金属液还处于流动状态，厚大部位并没有凝固结晶，导致挤压销变为型芯，无挤压效果；挤压延迟时间过晚，金属液凝固，在模具壁上形成坚硬的凝固层，导致挤压销受阻，无法补缩而不能实现增压效果（见图10）。挤压销插入的最佳时机与被挤压部位的凝固状态和浇口补缩通道有关。借助凝固模拟分析可知，缩孔部位凝固过程缓慢，在填充结束后第4s左右浇口区域凝固基本完成，无法对铸件补缩，生产中调整延时参数，在第2.6s发现挤压销压入深度不足2 mm，而在第2s开始挤压该项目在X光下可观测到清晰的缩孔缺陷，每0.1s时间间隔调试3个产品，多次试验后确定挤压延时时间2.2 s（见图11）。

图10 挤压延迟时间2.6s

图11 挤压延迟时间2.2s

挤压持续时间(duration)又称为保压时时间。挤压持续时间短，挤压杆过早的回退，铸件没有得到完全凝固，挤压区域将有缩孔或者收缩裂纹缺陷；挤压持续时间过长，则会导致完全冷凝后的铸件与挤压杆之间抱紧力过大，导致挤压杆的寿命降低。在实际生产中，依据多次X光检测以及剖切检验，确定该产品的挤压持续时间为6s。

【改善效果】

依据上述分析结果对该压铸模具设计优化，模具选择W403钢，压铸机为DCC 20 000 kN卧式冷式压铸机，配备抽真空和沃尔林编程喷涂。镶嵌件电阻加热箱，机械手自动安装。生产过程中铝液温度保持在（665±15）℃，喷涂后模具平均温度为（200±20）℃，辅以水基涂料SL-3188，压铸工艺参数见表2。

含有浇注系统的铸件毛坯见图12。

图12 铸件实物图

经生产验证，优化后的下缸体X光检验质量良好，无明显孔洞缺陷，见图13，批量产品合格率大幅度提升；同时在AX-10蔡司金相显微镜下观测该部位切片，组织较为致密，切片孔隙度为5%左右，满足项目要求。

图13 优化后的X光图

图14 孔隙率 4.48%

参考文献

黄潇苹 朱洪军 魏巍.下缸体铸件的局部挤压技术研究[J].特种铸造及有色合金 2022 42(4):517-520.

HUANG X P ZHU H J WEI W. Application of local extrusion technology in lower cylinder block castings[J]. Special Casting & Nonferrous Alloys 2022 42(4):517-520.