导读：某集成排气歧管铝合金缸盖在试制过程中发现正时侧大端面进排气侧螺纹孔位置存在较严重的缩松缺陷，首次试制废品率高达26%。通过使用AnyCasting软件对铸件凝固过程进行模拟，并对该缩松缺陷产生原因进行分析。模拟结果显示缩松位置局部厚大形成热节，凝固过程中出现缩裂，进而导致缩松缺陷。因此，通过采用在缩松位置模具增加水冷镶块，增加冒口补缩等改进措施，改进后连续生产30件均未发现缩松缺陷。

气缸盖是汽油机的关键部件之一，近年来，随着汽车轻量化步伐的加快，越来越多的厂商选择使用铝合金充当发动机缸盖的生产材料。气缸盖在发动机运转过程中需承受高温高压燃气循环冲击，为满足发动机的性能要求，铝合金缸盖铸件内部不得有缩孔、缩松、裂纹等缺陷。3B15型增压汽油发动机是我司首款全铝发动机，其发动机缸盖为集成排气歧管设计，具有结构紧凑，形状复杂的特点，该缸盖初期试制阶段时出现了较多铸造缺陷，尤其是缸盖正时侧大端面的缩松缺陷。

3B15缸盖采用重力倾转90°铸造工艺，在试制阶段其主要缺陷为机加工后大端面的缩松缺陷，装机存在渗油风险。图1为该缸盖模型图，其轮廓尺寸为mm×mm×mm，最小壁厚为4mm，铸件质量约为10.8kg。

图1缸盖铸件模型图

使用初始工艺生产的缸盖，在大端面进排气两侧螺纹孔位置存在较严重的缩松缺陷，首次试制件，发现26件存在缩松，废品率高达26%，该位置为正时罩盖密封部位，缩松将导致渗油风险。大端面缩松缺陷位置及缺陷放大图见图2，通过对缩松缺陷表面放大观察，可见缺陷内壁粗糙，组织不紧密，有空隙，呈不规则状，判定该缺陷为缩松。

（a）缺陷位置

（b）缺陷照片

（c）缺陷放大图

图2大端面缩松缺陷

1模拟分析

采用AnyCasting软件对该3B15缸盖的浇注过程进行模拟，凝固顺序见图3。可以看出，当凝固时间为45s时，缸盖大端面进排气两侧螺纹孔位置均出现孤立液相区，孤立液相区继续凝固时会出现补缩不足，有缩松风险。进一步使用AnyCasting软件模拟最终产品状态的概率缺陷分析预测情况见图4。可以看出，缸盖铸件凝固过程最终状态下大端面排气侧螺纹孔位置存在70%的非铝合金空腔区域，即缩松缺陷。

（a）38s

（b）45s

（c）51s

图3凝固顺序模拟

图4概率缺陷分析

2原因分析及改进方案制定

结合模拟结果可知，缸盖大端面进排气两侧螺纹孔位置局部厚大形成热节，凝固过程中由于没有得到足够的补缩，进而导致缩松缺陷。因此，针对该热节部位制定以下改进措施：①在该热节部位增加补缩冒口，为保证冒口补缩能力，将冒口部位模具涂料喷涂手法更改为补刷手法。②在该热节部位模具上增加水冷镶块，加快冷却速率，防止温度过高而产生热节，大端面进排气侧螺纹孔处模具新增水冷镶块示意图见图5。通过使用红外线模温枪对正常浇注时该热节部位模具温度进行实时测量，增加水冷镶块后可有效降低热节部位模具温度70℃左右，降温效果显著。

图5模具新增水冷镶块示意图

3试制与生产验证结果

3B15缸盖大端面进气侧、排气侧螺纹孔位置凝固顺序见图6和图7。可以看出，大端面进排气两侧冒口补缩效果理想，端面凸台热节凝固连续无断口，新增端面冒口和加强热节部位冷却速率可有效消除螺纹孔位置缩松风险。

（a）48s

（b）76s

（c）90s

图6大端面进气侧螺纹孔位置凝固顺序

（a）48s

（b）76s

（c）90s

图7大端面排气侧螺纹孔位置凝固顺序

使用改进方案连续生产3B15缸盖30件后对大端面进行%解剖，均未发现缩松缺陷，见图8。

图8改进后解剖情况

4结论

（1）汽油机铝合金气缸盖结构形状复杂，壁厚不均匀，在浇注工艺设计时应结合缸盖结构，合理布置模具冷却回路，对易形成热节位置应增加冒口，加强补缩。

（2）通过AnyCasting软件模拟的结果显示，缩松缺陷高风险区与铸件实际生产缺陷情况和位置基本一致，可为模具浇注系统和冷却回路的设计提供有效参考，降低试制成本。

来源：杨柯，夏承睿，吴勤，等.重力倾转铸造汽油机铝合金气缸盖缩松缺陷改进方案[J].特种铸造及有色合金，，40（11）：-.

END

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