發動機缸蓋是汽車發動機上的一種重要零件，缸蓋的密封性是其重要性能指標，出現泄漏會造成整改發動機故障，而缸蓋鑄造過程中產生的縮孔缺陷則是引起泄漏的主要原因之一。縮孔是鑄件在凝固過程中因補縮不良而在熱節或最后凝固的區域形成的宏觀孔洞，而缸蓋等結構較復雜的零件，因壁厚分布不均，極易產生凝固熱節，造成縮孔等缺陷。

為了有效的解決泄漏問題，首先需要明確缺陷種類，傳統的缺陷定性手段通常是金相檢測及能譜分析等手段，耗費大量的成本和時間。本文利用AnyCasting計算機仿真軟件，能夠快速準確的分析出產生缺陷部位的缺陷種類，形成機理，指導工藝人員解決鑄造質量問題，提升效率，降低成本。

公司某系列鋁合金缸蓋采用低壓鑄造工藝成型，該工藝具有充型平穩、補縮效果好、鑄件致密度高、力學性能好的優點，是生產鋁合金缸蓋的理想工藝。該缸蓋內部結構復雜，壁厚不均，最薄壁厚處不到4mm，尺寸大約為417×273×152mm。產品外觀結構見圖1。在某一生產階段出現了較高的泄漏率，泄漏部位主要為螺栓過孔處，通過解剖發現螺栓過孔處存在鑄造缺陷，其缺陷如圖2所示。

采用AnyCasting鑄造仿真軟件，分析缸蓋在鑄造過程中螺栓過孔產生缺陷的種類及原因，輸入3D模型需包含鑄件、內澆口、中間升液箱、升液管、冷卻管路、模具等，如圖3所示。

圖4為軟件計算結果，從凝固順序看，因在凝固過程中補縮中斷，造成孤立液相區，將壓力隔斷，導致該部位后期不受壓力作用，易形成縮孔。該螺栓過孔機加后效果如圖5所示，補縮通道中斷的位置在水道隔板與螺栓過孔相交處，形成的縮孔剛好處于機加孔左側的薄壁部分，該處機加后壁厚僅3.5mm左右，形成的縮孔導致水道與螺栓過孔貫穿，造成泄漏。

方案制定

01）側模增加點冷管

02）優化水道結構：增加水道圓角

改進鑄件結構設計，減小鑄件壁厚差，使鑄件厚壁與薄壁部位平滑過渡，盡量避免形成孤立熱節。而水道隔板與螺栓孔過渡處圓角為R3，不符合平滑過渡的要求，所以容易形成熱節，現將圓角增加到R5、R6、R7以驗證結構優化后補縮是否有效。

方案仿真分析結果

1）冷卻工藝分析結果

首先是側模增加點冷管的方案分析結果，三種冷卻方案50s、60s、70s開啟時間凝固順序分別如下：

從分析結果不難看出，螺栓過孔的孤立液相區沒有完全消失，仍然會形成縮松縮孔，但是在50s開啟結果來看，形成的液相區已經有所減少，說明增加冷卻的方案有一定的效果，只是不能完全解決該問題。現場對開啟時間50s，持續100s冷卻方案進行試驗，對比增加冷卻前后缺陷數，用Mintab軟件中的雙比率檢驗法確定冷卻工藝是否為影響產品質量的要因，如下圖：

雙比率檢驗法為6sigma質量工具中假設檢驗的一種檢驗方法，假設檢驗是一種數學驗證，它可以確定事情的結果是偶然發生還是真的發生了實質性的變化，它只有兩種可能出現的結果，假設沒有變化的原假設和假設有變化的備擇假設。通常來說，我們用95%的置信度證明結果是否發生了變化，如果p值小于0.05，就拒絕原假設，認為有了實質性的變化。

從圖9來看，小批量驗證后用雙比率檢驗，結果P值小于0.05，拒絕原假設，說明兩種方案的水道泄漏缺陷率存在顯著性差異，證明冷卻工藝是影響水道泄漏的關鍵因子。

2）水道結構優化結果

以下分別為R5、R6、R7水道圓角方案分析結果。通過增加水道隔板與螺栓過孔的補縮通道，孤立液相可以看出明顯的減少，當圓角增加到R7的時候該處補縮通道能完全補縮到缺陷位置，可以看到孤立液相消失，形成順序凝固。

對上述R7圓角方案進行修模驗證，機加102件，泄漏數0件。對數據進行雙比率檢驗，結果如下：

小批量驗證后用雙比率檢驗，結果P值小于0.05，說明兩種方案的水道泄漏缺陷率存在顯著性差異，產品結構是影響水道泄漏的關鍵因子。

方案生產驗證結果

將兩種方案同時進行了大批量驗證，沒有再出現該處螺栓過孔缺陷泄漏問題，說明了這兩種方案都是有效的，充分證明仿真結果與實際生產結果達到了高度吻合。

1） 利用AnyCasting鑄造仿真軟件分析缺陷來源，準確找出缺陷形成原因，為后續方案制定，方案驗證提供了有力的支撐，確定了冷卻及結構優化兩種方案實施方向，產品泄漏率從7%降低至0%。

2) 生產實踐證明，AnyCasting軟件仿真結果與實際生產結果達到了高度吻合，可以將鑄造仿真技術推廣應用到其他鑄造質量問題解決中，不僅可以縮短問題整改的周期，還能大大降低問題整改成本。

3) 在質量問題解決過程中，充分應用6sigma質量管理工具，可以快速的鎖定問題要因，做到質量與效率極高，成本最低，過程的周期最短，利潤最大。

文章來源：第十四屆中國國際壓鑄會議/第5屆有色合金及特種鑄造技術國際研討會