1 前言
　　本文研究的发动机下缸体是我公司自主开发的一款具有完全自主知识产权的直列四缸汽油发动机，该发动机具有高性能、低排放、低油耗、低噪音等优良特性。该款发动机将缸体分为上缸体和下缸体两部分，上缸体和下缸体螺栓连接形成曲轴室。目前国内外下缸体铸造生产多采用压铸工艺生产。由于铸件自身结构限制，同时考虑到低压铸造有设备投资少、工艺出品率高、方便不同产品切换等优点，我公司下缸体采用低压铸造工艺生产。低压铸造工艺有一个不足就是模具温度高，铸件凝固和冷却速度慢，单件生 产周期长。目前汽车行业竞争非常激烈，如何很好的控制成本是所有车企都非常重视的一个问题。从铸造工艺角度来看，提高有效产出是一个很好的降低成本途径。影响有效产出的两个主要因素是合格率和生产节拍。经过前期的优化和改 进，现在下缸体毛坯合格率已稳定在 96%以上，用提高合格率的方式来降低成本已经没有太大的经济性可言。不过可从缩短单个铸件生产周期入手来降低生产成本。在低压铸造的金属型模具 中使用水冷工艺，可以有效缩短铸件结晶凝固时间，提高铸造生产效率。在模具上加工水冷系统，在设备上增加一套水冷循环系统，通过控制 冷却水的开闭时间、温度、流量等参数来控制模具温度，提高冷却速率，实现生产效率的提升。
　　2 模具水冷结构
　　在对模具结构进行优化时，需满足以下几个方面的要求：
　　（1）增加水冷之后，需要继续保证铸件自上而下的凝固顺序，并消除局部热节。
　　（2）模具寿命不能降低。模具长期受到冷却水和铝水的冷热交变作用，产生的冷热交变应 力长期作用在模具上会明显影响模具寿命。
　　（3）模具水冷管路不被水垢堵塞。
　　（4）若模具偶然产生裂纹或冷却管开裂，保证冷却水不会渗入模具型腔和进入模具下侧保温炉，并且能够及时发现泄漏。目前在金属型铝合金铸造生产中应用水冷的方式主要有两种：一种是在模具 内增加冷却管路。该方式冷却水直接与模具本体接触，冷却能力强，在模具需要大面积冷却或模具整体温度平衡时使用；另一种是点冷，多设置在型芯内，冷却能力相对较弱，主要作用是避免型芯过热或消除局部热节。经过综合考虑，在不改变模具其它部分的基础上，仅在上模增加铜板，铜板内开设冷却管道，如图 1。

　　铜板冷却整个上模，对上模的冷却比较均匀；铜板只冷却上模，不影响铸件自上而下的凝固顺序；水冷却铜板，铜板紧贴模具，铜板在水和模具之间起缓冲作用，降低模具冷热交变的速度和程度，减轻冷热交变应力对模具寿命的影响；铜热导率高，塑性好，不易发生冷热交变应力开裂；冷却用水采用工业纯水，不易在冷却管 路内结垢；冷却铜板易更换；冷却铜板安装在上模后不覆盖，一旦少量漏水，水遇到高温的模具迅速汽化，易发现。
　　3 设备水冷系统
　　3.1 水冷系统结构
　　为了保证生产的连续性和稳定性，水冷系统采用内外两个循环系统，整体结构如图 2 所示。 内循环冷却水采用工业纯水，流动顺序是由水泵从循环水灌抽出并提供压力，流经过滤器→热交换器→电磁阀→调节阀→流量计→模具，模具流出后回到循环水罐。循环水罐开设纯水补给管路，由浮子阀控制补给水管路的开闭。管路多处设置温度传感器和流量计，以便调节控制水温和流量，保证工艺的稳定性。在模具冷却管路前增加一个压缩空气管路，待冷却水关闭时可使用压缩空气冷却模具。内外循环的热传递通过热交换器实现，外循环把内循环的热量带走。外循环使用的冷却水为工房循环软水，流量大，温度恒定。

　　3.2 水冷控制系统
　　设计方案时，根据不同的工艺需求，在对冷却水温度和流量的控制方式上，考虑了两种不同的控制方式。一种是通过时间控制，即在某一个时间点开启电磁阀，经过一段时间后到另一个时间点自动关闭。另一种是通过温度控制。即铸造机控制系统根据模具上安装的热电偶检测到的模具温度为依据，温度超过某一定值时电磁阀开启，并控制开启比例，温度降低到某一值时电磁阀关闭或调小开启比例。在本次验证中，为了更清楚的显示验证效果，验证时冷却控制方式采 用时间控制。
　　4 低压浇注工艺
　　4.1 工艺方案设计与对比下缸体初始工艺压力曲线如图 3 所示，模具上模未采用冷却，加压时间28s，保压时间300s，冷却时间120s，加上操作时间一共约 540s。加压时间主要跟液面高度有关，由于设备相同，加满铝水时液面高度不变，因此工艺设计时加压时间保持不变，调整冷却强度以缩短保压时间和冷却 时间，具体设计了5 种方案（见表 1）。其中方案1未采用冷却。方案 2 在上模铜板内增加空气冷却，方案 3、4、5 在上模铜板内增加水冷，对以上 5 个方案进行对比验证和分析。为了减少试验 的变量，内循环冷却水进入模具的温度设为 25℃。

　　4.2 验证结果及分析
　　针对以上 5 种方案，验证顺序从方案 1 到方案 5 逐个验证。每个方案连续生产 10 件。根据现场生产经验，一般模具连续生产 5 件以后模具 温度基本平衡，每更换一种方案后，前 5 件不计数，第 6 件开始计数，再连续生产 10 件，并检查记录后 10 件铸件质量。经对 50 件验证进行外 观检查和内部质量检查，均符合质量检查标准， 全部为合格件。 对比方案 1 和方案 2,增加空气冷却后,工艺 时间由 420s/件变为 360s/件，单件生产时间缩短 1 分钟，可以看出增加空气冷却对缩短节拍是有帮助的。对比方案 3 到方案 5 的水冷时间和流量 是逐渐增加的，同时工艺时间也是逐渐降低的。 方案 5 的冷却时间最长，流量最大，工艺时间也最短。对比方案 2 和方案 5，由于冷却介质的不同，冷却时间和流量都有很大幅度的降低，但冷 却效果却明显增加，工艺时间由 360s/件变为 260s/件，工艺时间明显缩短。方案 1 和方案 5 对比冷却效果更明显，工艺时间由 420s/件变为 260s/件，单件生产时间缩短 160s。
　　5 结论
　　通过在上模增加冷却铜板，铜板内增加水冷系统，可以得到以下结论：在铸件结构允许的前提下，金属型低压铸造采用水冷工艺可以有效缩 短铸造过程的保压时间和冷却时间, 生产效率明 显提高。