鮑心想

(上海贏坦汽車技術(shù)有限公司,上海 201805)

0 前言

鋁合金材料由于成本低、質(zhì)量輕、耐腐蝕性良好等性能,成為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用最多和最廣的輕金屬[1]。四缸缸體由于結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,往往選用高壓鑄造作為生產(chǎn)工藝,高壓鑄造的優(yōu)勢(shì)在于產(chǎn)量大、節(jié)拍快,省去了傳統(tǒng)澆鑄中砂芯制造與回用的步驟,但同時(shí)對(duì)于鋁缸體的質(zhì)量控制也提出了更高的要求。在某型鋁缸體的生產(chǎn)初期,出現(xiàn)多起由于鋁缸體疏松導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)滲油缺陷,發(fā)現(xiàn)是缸體滲油點(diǎn)微觀疏松所致。經(jīng)過多輪臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試,以及參考國(guó)內(nèi)外優(yōu)秀鋁缸體壓鑄廠的經(jīng)驗(yàn),最終決定通過增加高壓點(diǎn)冷結(jié)構(gòu)作為解決該問題的長(zhǎng)期措施。

1 高壓點(diǎn)冷工藝的簡(jiǎn)介

高壓點(diǎn)冷工藝可以理解為“模具內(nèi)部冷卻水法”,這一工藝的發(fā)展依靠在模具型芯上鉆孔工藝的提升(能夠鉆出直徑1.3 mm的孔)。這一技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是能夠通過設(shè)定計(jì)時(shí)器來調(diào)節(jié)模具內(nèi)冷卻介質(zhì)的停留時(shí)間,使得控制模具表面溫度始終保持最優(yōu)狀態(tài)。同時(shí),這一工藝也能保證細(xì)小型芯的壽命,使之不容易被折斷。圖1為冷卻管及型芯結(jié)構(gòu),圖2為型芯使用對(duì)比。

高壓點(diǎn)冷技術(shù)的產(chǎn)品主要特點(diǎn)包括：通過空氣泵長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)供應(yīng)高壓冷卻水(1.0 MPa);易于安裝,并且可以通過調(diào)節(jié)參數(shù)(如冷卻時(shí)間)來滿足不同的應(yīng)用;安裝空間要求少,能貼近壓鑄機(jī)并與之連接;防銹部件壽命更長(zhǎng)、維護(hù)更少。

圖1 冷卻管及型芯結(jié)構(gòu)

圖2 型芯使用對(duì)比

2 高壓點(diǎn)冷在鋁缸體上的實(shí)際應(yīng)用

2.1 某型鋁缸體的模具結(jié)構(gòu)調(diào)整

針對(duì)鑄件上厚壁加工部位,如螺紋孔,加工后出現(xiàn)縮松導(dǎo)致的零件泄漏。因模具結(jié)構(gòu)限制,厚壁部位的縮松問題不能通過局部增壓得以解決?？梢酝ㄟ^高壓點(diǎn)冷技術(shù),對(duì)型芯內(nèi)部進(jìn)行極速冷卻,使型芯周邊組織先行凝固,形成致密層,減少縮松傾向,從而減少或杜絕后續(xù)的質(zhì)量隱患。圖3為使用點(diǎn)冷的金相組織對(duì)比。

圖3 使用點(diǎn)冷的金相組織對(duì)比

由于某型鋁缸體已有模具型腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜,許多型腔部位原設(shè)計(jì)時(shí)沒有冷卻通道,在壓鑄過程中,由于金屬液在極短時(shí)間內(nèi)釋放高熱量,模具表面溫度變化極大,從而加大了模具熱疲勞所產(chǎn)生的應(yīng)力,提前出現(xiàn)龜裂、粘膜,甚至開裂。一方面使鑄件內(nèi)在品質(zhì)不穩(wěn)定,另一方面降低了模具壽命。所以需要重新對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),保證必要部位加入高壓點(diǎn)冷工藝,以此確保零部件質(zhì)量的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

模具結(jié)構(gòu)調(diào)整主要包含兩個(gè)步驟：首先增加局部型腔底部點(diǎn)冷卻的回路;其次增加型芯冷卻噴射高壓點(diǎn)冷。由于鋁缸體模具是由不同的鑲塊組成的,在增加點(diǎn)冷的設(shè)計(jì)驗(yàn)證時(shí),對(duì)于各鑲塊進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)考慮,結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中所出現(xiàn)質(zhì)量問題部位,決定對(duì)離合器面、回油面及油氣分離器面進(jìn)行模具調(diào)整。圖4為離合器面6006型芯冷卻管設(shè)計(jì),圖5為回油面4035、4020、4036型芯冷卻管設(shè)計(jì),圖6為油氣分離器面主油道冷卻管設(shè)計(jì)。

圖4 離合器面6006型芯冷卻管設(shè)計(jì)

圖5 回油面4035、4020、4036型芯冷卻管設(shè)計(jì)

2.2 某型鋁缸體各部位改進(jìn)介紹

圖6 油氣分離器面主油道冷卻管設(shè)計(jì)

經(jīng)過模具的調(diào)整后,高壓點(diǎn)冷被有效地應(yīng)用于某型鋁缸體上,隨后便可通過實(shí)際使用后對(duì)關(guān)鍵位置的剖切、X光探傷或CT檢測(cè),判斷該關(guān)鍵位置是否已經(jīng)達(dá)到了改善的預(yù)期效果。當(dāng)然,由于鋁缸體大批量生產(chǎn)的特殊性,一般是先通過更改1副模具觀察效果來調(diào)整后續(xù)模具的改善計(jì)劃。

2.2.1 離合器面水道

在密封測(cè)試中對(duì)于不合格的零件會(huì)進(jìn)行泄漏部位的統(tǒng)計(jì),泄漏常發(fā)生在加工的螺紋孔內(nèi),且周圍壁厚較厚,容易有疏松傾向。對(duì)于某型壓鑄鋁缸體,在離合面處泄漏主要集中在2個(gè)型芯孔,分別為編號(hào)6006-1和6006-2型芯孔,該處型芯孔將在加工后與變速箱連接。圖7為離合面型芯孔泄漏部位。

改進(jìn)措施為在缸蓋面(離合器側(cè)、正時(shí)面?zhèn)?4處螺栓孔處,增加4處預(yù)鑄孔(圖7中4處紅色部位為預(yù)鑄孔位置),另外6處螺栓孔牽涉到模具結(jié)構(gòu)干涉,故無法增加預(yù)鑄孔。預(yù)鑄孔內(nèi)部配有水冷噴射冷卻裝置,能夠較好地改善壁厚處金屬液的流動(dòng)與凝固,從而減少內(nèi)在疏松。

圖7 離合面型芯孔泄漏部位

在加入高壓點(diǎn)冷工藝后,應(yīng)在每一次壓射完成后,操作工在工作臺(tái)側(cè)需目視檢驗(yàn)回水管是否有回水流量,如果沒有回水,應(yīng)立即停止生產(chǎn)。因?yàn)闆]有回水表示高壓點(diǎn)冷設(shè)備系統(tǒng)可能出現(xiàn)了問題,如果不能及時(shí)解決,勢(shì)必會(huì)影響鋁缸體的內(nèi)部質(zhì)量。而對(duì)于增加點(diǎn)冷后的內(nèi)在質(zhì)量,也通過X光探傷對(duì)比確認(rèn)型芯周圍的輕微疏松情況得到了改善。圖8為增加點(diǎn)冷型芯前后X光探傷對(duì)比。

圖8 增加點(diǎn)冷型芯前后X光探傷對(duì)比

2.2.2 回油面螺紋孔

在某型鋁缸體的回油面螺紋孔中,前期發(fā)現(xiàn)的缺陷主要集中于5B100和5B125這兩個(gè)孔,這兩個(gè)孔貼近主油道,且與主油道處的壁厚不均勻,非常容易出現(xiàn)由于縮松而產(chǎn)生的疏松現(xiàn)象,而這種細(xì)微疏松往往在密封測(cè)試時(shí)不能被識(shí)別,而在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中,由于鋁缸體的工作溫度升高,導(dǎo)致細(xì)微疏松被逐漸放大,甚至連成片,最終導(dǎo)致了螺紋孔出現(xiàn)滲油現(xiàn)象。接下來將對(duì)5B100孔的改進(jìn)及控制做詳細(xì)介紹。

在5B100孔增加高壓點(diǎn)冷型芯后,首先通過局部CT掃描進(jìn)行前后對(duì)比驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)增加點(diǎn)冷后,在油道位置周邊的疏松取得了較明顯的改善。圖9為增加點(diǎn)冷前后5B100周圍質(zhì)量對(duì)比。

隨后對(duì)增加點(diǎn)冷的效果進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證與批量控制。首先進(jìn)行了過程驗(yàn)證,在壓鑄完后對(duì)該螺紋孔進(jìn)行模擬加工,并向螺紋孔進(jìn)行局部充氣氣密檢測(cè),在驗(yàn)證階段共檢測(cè)283件鋁缸體,未發(fā)現(xiàn)一件存在泄漏。隨后進(jìn)一步對(duì)增加高壓點(diǎn)冷后的鋁缸體進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn),前后共進(jìn)行了3輪測(cè)試,未發(fā)現(xiàn)存在滲油跡象。綜上所述,可以得出,在增加高壓點(diǎn)冷工藝后,該處5B100螺紋孔的周邊微觀疏松得到了明顯改善,且進(jìn)行的過程驗(yàn)證表明,該整改已經(jīng)達(dá)到了預(yù)期的效果,極大降低了該處滲油的質(zhì)量隱患。

圖9 增加點(diǎn)冷前后5B100周圍質(zhì)量對(duì)比

3 結(jié)論

根據(jù)本文的相關(guān)模擬分析和實(shí)際驗(yàn)證,對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過程質(zhì)量有如下改進(jìn)：使模具型腔達(dá)到熱平衡狀態(tài),解決模具表面粘料、延長(zhǎng)模具壽命、延緩模具表面龜裂的發(fā)生;使模具內(nèi)在疏松、表面氣孔得以解決;利用噴射冷卻高壓點(diǎn)冷,掌控模具局部較小型腔的溫度調(diào)整;利用噴射冷卻高壓點(diǎn)冷對(duì)型芯進(jìn)行冷卻,解決型芯粘料引起的鑄件拉傷及型芯出現(xiàn)的微疏松;提高了壓鑄產(chǎn)品的生產(chǎn)節(jié)拍和效率;減少了由于缸體質(zhì)量問題導(dǎo)致的額外成本。

本文對(duì)高壓點(diǎn)冷技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)鋁缸體上的應(yīng)用作了較為詳盡的介紹,并描述了高壓點(diǎn)冷技術(shù)應(yīng)用后對(duì)鋁缸體質(zhì)量,特別是鋁缸體這種壁厚不均零部件局部?jī)?nèi)在質(zhì)量有著非常大的改善作用,可對(duì)高壓點(diǎn)冷技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)鋁缸體質(zhì)量控制中的應(yīng)用提供成功經(jīng)驗(yàn)和借鑒。