压力铸造
特种铸造及有色合金 ２０１１年第３１卷第８期
汽车发动机下缸体低压铸造工艺及模具设计
陈学美 黄 瑶 王雷刚（江苏大学材料科学与工程学院）
摘 要 针对Ａ以ＧＭ－Ｌ介绍了低压铸造工艺及模Ｃ４Ｂ铝合金下缸体的结构特征和工艺特点，８５０型发动机下缸体为例，，／，，具设计。其工艺参数，充型压力为０．充型速度为０．充型时间为２结晶压力为０．保压时０２ＭＰａ５ｍｓ左右，５ｓ０５１ＭＰａ，）℃，）℃。在模具设计过程中，间为９浇注温度为（模具预热温度为２浇注槽温度为（采用多分０ｓ７２０±１０２０℃，６００±５０合理设计模具壁厚并在铸件厚大部位采用局部冷却，以达到控制模具热平衡，同时采用多种排气型面分型保证顺利开模，
该铸造工艺方案的铸造工艺参数及模具结构合理，产品合格率高，对其他类似产品有方式实现完全充型。生产实践表明，参考意义。
关键词 铝合金；下缸体；低压铸造；模具
（）中图分类号 ＴＧ２４９．３；ＴＧ１４６．２１ 文献标志码 Ａ 文章编号 １００１－２２４９２０１１０８－０７２７－０４：／ＤＯＩ１０．３８７０ｔｚｚｚ．２０１１．０８．０１２
ＬｏｗＰｒｅｓｓｕｒｅＣａｓｔｉｎＣｒａｎｋｃａｓｅｌｏｗｅｒＢｅｄｌａｔｅｆｏｒ － ｇｐ
ＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅＥｎｉｎｅａｎｄｉｔｓＭｏｕｌｄＤｅｓｉｎ ｇｇ
，ＣｈｅｎＸｕｅｍｅｉＨｕａｎＹａｏ，ＷａｎＬｅｉａｎ ｇｇｇｇ （，）ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｉｎｅｅｒｉｎＪｉａｎｓｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔ ｇｇｇｙ
：ＡＡｂｓｔｒａｃｔｃｃｏｒｄｉｎｔｏｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｆｅａｔｕｒｅａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＡＣ４Ｂａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏ ｇｇｙ
，ｃｒａｎｋｃａｓｅｌｏｗｅｒｂｅｄｌａｔｅｌｏｗｒｅｓｓｕｒｅｃａｓｔｉｎＧＭ－Ｌ８５０ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｅｎｉｎｅｃｒａｎｋｃａｓｅｌｏｗｅｒｂｅｄｌａｔｅ－ － ｐｐｇｇｐ ：ａｎｄｉｔｓｍｏｕｌｄｄｅｓｉｎｗｅｒｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｔｈｅｒｏｃｅｓｓｉｎａｒａｍｅｔｅｒｓｗｅｒｅａｄｏｔｅｄａｓｆｏｌｌｏｗｓｆｉｌｌｉｎｒｅｓ －ｇｐｇｐｐｇｐ
，／，ｓｕｒｅｏｆ０．０２ＭＰａａｒｏｘｉｍａｔｅｌ０．５ｍｓｆｉｌｌｉｎｖｅｌｏｃｉｔａｎｄ５ｓｆｉｌｌｉｎｔｉｍｅｈｏｌｄｉｎｏｆ０．０５１ｒｅｓｓｕｒｅ ｐｐｙｇｙｇｇｐ ，）℃，ＭＰａｆｏｒ９０ｓａｔ（７２０±１０ａｎｄｈｅａｔｉｎｍｏｕｌｄａｔ２２０℃ａｓｗｅｌｌａｓｂａｓｉｎｔｅｍｅｒｏｕｒｉｎｒｅｏｕｒｉｎ － －ｇｐｐｇｐｐｇ ）℃．Ｍａｔｕｒｅｏｆ（６００±５０ｕｌｔｉａｒｔｉｎｆａｃｅｗａｓａｄｏｔｅｄｉｎｔｈｅｍｏｕｌｄｄｅｓｉｎｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈｅｍｏｕｌｄｏｅｎｅｄ －ｐ －ｇｐｇｐ ，ｓｍｏｏｔｈｌｏｕｌｄｗａｌｌｔｈｉｃｋｎｅｓｓｓｈｏｕｌｄｂｅｒａｔｉｏｎａｌｌｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄｉｎｗｈｉｃｈｌｏｃａｌｃｏｏｌｉｎｗａｓｅｍｌｏｅｄａｔ ｙ．Ｍｙｇｐｙ
，ｍ，ｔｈｅｔｈｉｃｋｌｏｃａｔｉｏｎｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｈｅａｔｂａｌａｎｃｅｏｆｔｈｅｍｏｕｌｄｅａｎｗｈｉｌｅｖａｒｉｏｕｓｅｘｈａｕｓｔｉｎｗａｓｗｅｒｅａ －ｇｙ ，ｄｏｔｅｄｉｎｔｈｅｍｏｕｌｄｄｅｓｉｎｔｏｆｉｌｌｃｏｍｌｅｔｅｌ．Ｔｈｅｒｏｄｕｃｔｉｏｎｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｒｏｃｅｓｓｓｃｈｅｍｅａｒａｍｅ －ｐｇｐｙｐｐｐ
，ｕａｌｉｆｉｅｄｒｏｄｕｃｔｉｏｎｔｅｒｓａｎｄｍｏｕｌｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｅｒｅｆｅａｓｉｂｌｅａｎｄｈｉｈｒａｔｅｗａｓｒｅａｌｉｚｅｄ． ｑｐｇ：，，，ＭＫｅＷｏｒｄｓＡｌｕｍｉｎｕｍＡｌｌｏＣｒａｎｋｃａｓｅｌｏｗｅｒＢｅｄｌａｔｅＬｏｗＰｒｅｓｓｕｒｅＤｉｅＣａｓｔｉｎｏｕｌｄ － ｙｙｐｇ 其上部与气缸 下缸体是汽车发动机上的重要零件，
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。
图１ 下缸体铸件３Ｄ结构图
水泵孔凸台 ２．曲轴孔 ３．螺栓孔 ４．斜孔１．
，铸件质量为１平均壁厚为４．４７１、３７１、９１ｍｍ，０．３ｋ０ｇ
采用三维软件ＵＧ建模。图１为下缸体铸件３ｍｍ，Ｄ结构图
。
１ 下缸体铸件结构及材料
其长、宽、高尺寸分别为ＧＭ－Ｌ８５０发动机下缸体，
ＧＭ－Ｌ８５０发动机下缸体选用材料为ＡＣ４Ｂ铸造
；收稿日期：修改稿收到日期：２０１００６２８２０１０１１２２－－－－
），：＿第一作者简介：陈学美，女，硕士研究生，江苏大学材料科学与工程学院，江苏镇江（电话：１９７９年出生，２１２０１３１３９１６９６３００９，Ｅ－ｍａｉｌｓａｌｌｃｈｅｎ．ａ－ｙｙ
ｓｉａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ＠ｙ
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特种铸造及有色合金 ２０１１年第３１卷第８期
铝合金，热处理状态为Ｔ这种牌号的合金参照日本６，／与ＧＪＩＳＨ５２０２标准，ＢＴ１１７３的ＺＡｌＳｉ９Ｃｕ２Ｍ ｇ的成铸造工艺性能好，多用分接近。该合金力学性能优良，
于汽车、摩托车发动机气缸体、进气岐管、气缸盖等零件
１］
。的重力及低压铸造［
３
；／；量，ｃｍｔ为充型时ｇｇρ为合金密度，μ为阻力系数；
；间，ｓＨ为金属液上升高度，ｃｍ。合金成分与铸件质量
３
／，。通一定时，６ｇｃｍＧ＝１０．３ｋｇρ和Ｇ为恒量，ρ＝２．根据经验μ取值为１．常μ为１．０～１．５，２，Ｈ＝６８ｃｍ，
２
，。计算得出Σｔ＝２５ｓＦ升液管出口≥３６．１８ｃｍ根据以上计算结果、下缸体本身的尺寸结构特点及
将浇道设计为倒锥形，见图２。浇注过程中补缩条件，
２
，，浇道的锥度为３单个内浇道的截面积为５°９８．３ｍｍ
２ 铸件工艺性分析
２．１ 铸件结构
铸件工艺性设计应在尽量满足产品结构要求的前通过调整机械加工余量、增大起模斜度、增加工艺提下，
２］
，余量等方法［以满足铸造工艺条件。为此，对该下缸
共１由于在选择浇道部位的铸件结构相同，０个内浇道（，故设计的１总的内浇道０内浇道的结构尺寸是相同的
）
２
。截面积为５９８３ｍｍ
体铸件结构进行了如下更改：见图１）半圆①在曲轴孔（处增加工艺余量，以利于形成下部厚大部位；②为简化）模具结构，产品中要机械加工的斜孔（见图１不铸出。
铸件的机械加工余量，大平面为（２．５±０．５）ｍｍ，小平面为（１．５±０．５）ｍｍ。铸件尺寸公差按７级精度制造。未注铸造圆角为Ｒ３～Ｒ５。铸件的凹进部分以，及孔的起模斜度一般可取２不加工面可取２°°°～７～
，；加工表面可取３深度较深的地方斜度尽量取３°°°～７
３］
。小，深度较浅的地方斜度尽量取大［２．２ 模具收缩率
对于低压铸造，根据铸件材料ＡＣ４Ｂ以及产品的结构特征，将模具收缩率设置为０．７％。２．３ 铸件在模具中位置
在确定铸件在低压铸造模具中的位置时，不能违背
４］
，顺序凝固”原则［在分析该下缸体的结构自上而下的“
图２ 浇口示意图
３．２ 横浇道设计
对于该件，由于选用的低压铸造机炉体内只有单升液管，设１就需要增加横浇道。横浇道形状０个内浇道，见图３。但是低压铸造的横浇道与一般重力铸
造的横浇道意义不同，低压铸造的横浇道内的铝液是不能凝固的，卸压后，横浇道处的铝液将从升液管流回到炉体内。
特点的基础上，充分利用低压铸造时液体金属在压力作建立了一个在该件用下可自下而上地补缩铸件的条件，
垂直方向上由油底壳结合面到气缸体结合面，能形成自上而下顺序凝固的单向温度场；浇注位置选择在缸体安）。装的螺栓孔（曲轴孔向下侧）位置处（具体位置见图１
图３ 横浇道结构
３．３ 溢流系统设计
一般低压铸造，不需要设置溢流槽，但是下缸体上部大平面，易出现浇不足、冷隔、夹渣等铸造缺陷。根据经验，溢流槽尺寸取长度为３高度为２厚
０ｍｍ，０ｍｍ，度为３ｍｍ，间距为３其结构见图４。５ｍｍ，
３ 浇注系统设计
３．１ 内浇道设计
低压铸造用的浇注系统应使金属液平稳而迅速地
４］
。鉴充型，并有缓冲和除渣作用以及良好的补缩效果［
于该件厚大部位较多，采用多浇道，以保证铸件各处均得到较良好的补缩。通常内浇道的位置选在模具底部或铸件最厚断面处，其断面积的大小可以等于或稍大于
３］
，且Σ金属液引入铸件热节的断面积［Ｆ内≥５］
升液管出口面积由下式［确定。Ｆ升液管出口，Σ
图４ 溢流槽结构图
４ 低压浇注工艺参数设置
４．１ 充型压力的确定
充型阶段作用在金属液上的充型压力Ｐ充，在铸件
５］
高度确定后，根据下式［计算。
（）Ｆ升液管出口≥１Σ
··ｔμρＨｇ
３；式中，Ｆ升液管出口为升液管出口面积，ｃｍＧ为铸件质Σ
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汽车发动机下缸体低压铸造工艺及模具设计 陈学美 等
··（）２１０３３．６
３
／，对于该铸件，代入式Ｈ＝６８ｃｍ，６ｇｃｍ２，ρ＝２．μ＝１．
（）。得Ｐ充＝０．２０２ＭＰａ
Ｐ充＝
４．２ 充型速度的控制
充型速度太快或太慢，都给铸件品质带来影响。充型速度太快，合金液进入型腔时势必出现冲击喷溅和翻滚现象，造成铸件有氧化夹渣和气孔缺陷；反之充型速度太慢，则又有可能使铸件产生冷隔和浇不足等缺陷。因此，为了获得品质良好的铸件，充型速度控制在／左右为宜。０．５ｍｓ４．３ 结晶压力的确定
实践证明，结晶压力越大，则补缩效果越好，铸件组织越致密。但是增大结晶压力的方法不是在任何情况下都适用的。根据该件的结构及气密性要求，结晶压力。取值约为０．０５１ＭＰａ４．４ 保压时间的确定
目前尚难找出一个较为简便和适用的公式来计算各种铸件的凝固时间。生产中多以铸件浇道残余长度，一般浇道残余长度为２０～５０
。可将保压时间取为９０ｓｍｍ。根据该件的特点，和铸件质量为依据
４．５ 低压充型工艺过程的确定
低压铸造中，合金液充满型腔后，若不迅速增压，因金属模具散热冷却速度快，铸件外表很快凝固，则铸件不能全部在较高压力作用下结晶凝固。所以在选择充型工艺时，优先考虑急速增压结晶工艺；其压力曲线见图５。根据该件的结构，在增压过程中，前阶段采用急后阶段降低增压速率
。速增压，
［６］
图６ 模具结构图
顶模 ２．左模 ３．后模 ４．前模 ５．右模 ６．底模１．
５．２ 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，还应考虑其热膨胀量。５．３ 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一般是根据经验来确定。下缸体铸件的模具计算方法，
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。５．４ 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以使该厚大部位最先凝固，确保此部位此部位的模温，的组织细密。
５．５ 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温度，以确保铝液在槽内不凝固。５．６ 排气系统设计
该模具排气方案，在分型面处设置宽１深５ｍｍ、
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中心间距为３模具中的深腔０．１５ｍｍ、０ｍｍ的排气片；
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。５．７ 模具材料选用
模具型腔材料选用热作模具钢Ｈ调质后硬度１３，（ＨＲ导向块耐磨块等采用Ｇ淬火Ｃ）为３８～４２，Ｃｒ１５，
模架材料选用Ｑ其余后硬度（ＨＲＣ）为６０～６５，２３５Ａ，材料采用４５钢或ＨＴ２５０铸件。
具，应清理型腔、浇冒口、分型面上的脏物。按正确顺序开合模具：先合前后模，再合左右模，用压缩空气吹净型并将上模合模到位，然后以设定腔内的残留物和涂料，
的低压铸造参数进行浇注。浇注的前２到３件为烫模，）
。若外观完整，烫模的第２件可视为合格铸件（见图７
６ 生产验证
６．１ 模具准备
将模具型腔进行喷砂处理、去除油脂和污垢后，预热到（涂料型号为２００±２０）℃后对型腔进行喷涂料（，涂料厚度为０．喷涂后必须清理分ＢＴ３，１～０．２ｍｍ）－型面；内浇道处刷上浇道专用涂料（涂料厚度为；）℃待用。然后再将模具加热到（０．５～１ｍｍ）２８０±２０升液管准备６．２ 浇注槽、
浇注槽缠绕电阻后，必须用石棉包住并塞紧，浇注其厚度为３～６ｍｍ，再对浇注槽槽内表面刷石棉涂料，
内壁表面加热进行喷刷涂料。升液管内外壁表面用钢加热后再对外壁表面进行喷刷涂料。丝刷清理干净，６．３ 熔炼
快速将集中熔化后的铝液温度升到（７４０±１０）℃，并将铝液放入中转包中。对铝液进行精炼除渣。将精炼后的合格铝液转入低压铸造机保温炉内，铝液停留时间不超过４ｈ，若要继续使用，须进行断口检查，合格后方能浇注。６．４ 浇注
浇注槽加热温度不得低于４否则不予浇注，５０℃，檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪殏
图７ 合格铸件图
７ 结语
采用低压铸造工艺生产ＧＭ－Ｌ８５０型号发动机下
缸体，经大批量生产验证，设计的工艺参数合理，模具结构可行，铸件品质优良。产品的合格率稳定在９５％以上，每套模具日产量在２００件左右。
参 考 文 献
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［］李魁盛．铸造工艺学［机械工业出版社，２Ｍ］．北京：２００５． 王文清，［］［铸造手册·铸造工艺（第二版）３Ｍ］． 中国机械工程学会铸造分会．
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［］低压及差压铸造理论与实践［北京：机械工业出版社，４Ｍ］． 董秀琦．
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［］低压铸造新工艺新技术与铸件缺陷防治及机械设备运行５ 王振东．
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［］张东阳，徐慧．柴油机喷油泵泵体低压铸造工艺与模具设６ 赵建华，
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［］［彭兆弟．铸造技术问题对策（第２版）北京：机械工业出７Ｍ］． 陈琦，
（编辑：袁振国）版社，２００８．达到６方可断电，不予加热。对喷好涂料的模００℃时，
檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪殏
檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪殏
邯郸鸡泽铸造和装备制造企业向高端挺进
目前，随着新兴重工、高合金铸管、西班牙高档汽车配件等一批铸造和装备制造高端项目相继落户投产，鸡泽县铸造和装备制造企业纷纷向高端转变已日见雏形。
集群发展。铸造业是该县传统的四大主导产业之一，随着市场经济发展，该县对其进行了及时重新定位升级为铸造和装备制造业，并规划建设了铸造和装备制造园区，以小寨镇铸造企业群为基础，规划建设了３．２平
该园区又相继入驻企业３发展势头非常强劲。方公里的铸造和装备制造园区。目前，３余家，
龙头带动。近年来，该县对虹光、群山等本地铸造龙头企业实施战略性重组，引进了浙江友通、新兴重工等一批有实力的大企业、大集团。目前，该县５家企业拥有自营出口权，３家企业通过了ＩＳＯ９０００国际质量体系认证，２家企业获得了ＩＳＯ１４０００环境管理体系认证和英国ＢＳＩ公司颁布的风筝标记产品认证。
科技创新。该县积极出台优惠政策，鼓励企业一手抓现有企业装备水平的提高，育出高端；一手抓先进项目的引进，打造高端，今年通过加强技术改造，引导企业与高校、科研院所对接合作，实施了高科技技改项目２０个。
（邯郸日报报道）
檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪殏
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