鋁合金缸體高壓點冷工藝的應用

鮑心想

(上海贏坦汽車技術有限公司,上海 201805)

0 前言

鋁合金材料由于成本低、質量輕、耐腐蝕性良好等性能,成為汽車發動機上應用最多和最廣的輕金屬[1]。四缸缸體由于結構相對簡單,往往選用高壓鑄造作為生產工藝,高壓鑄造的優勢在于產量大、節拍快,省去了傳統澆鑄中砂芯制造與回用的步驟,但同時對于鋁缸體的質量控制也提出了更高的要求。在某型鋁缸體的生產初期,出現多起由于鋁缸體疏松導致的發動機滲油缺陷,發現是缸體滲油點微觀疏松所致。經過多輪臺架試驗測試,以及參考國內外優秀鋁缸體壓鑄廠的經驗,最終決定通過增加高壓點冷結構作為解決該問題的長期措施。

1 高壓點冷工藝的簡介

高壓點冷工藝可以理解為“模具內部冷卻水法”,這一工藝的發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)。這一技術的優點是能夠通過設定計時器來調節模具內冷卻介質的停留時間,使得控制模具表面溫度始終保持最優狀態。同時,這一工藝也能保證細小型芯的壽命,使之不容易被折斷。圖1為冷卻管及型芯結構,圖2為型芯使用對比。

高壓點冷技術的產品主要特點包括：通過空氣泵長時間連續供應高壓冷卻水(1.0 MPa);易于安裝,并且可以通過調節參數(如冷卻時間)來滿足不同的應用;安裝空間要求少,能貼近壓鑄機并與之連接;防銹部件壽命更長、維護更少。

圖1 冷卻管及型芯結構

圖2 型芯使用對比

2 高壓點冷在鋁缸體上的實際應用

2.1 某型鋁缸體的模具結構調整

針對鑄件上厚壁加工部位,如螺紋孔,加工后出現縮松導致的零件泄漏。因模具結構限制,厚壁部位的縮松問題不能通過局部增壓得以解決。可以通過高壓點冷技術,對型芯內部進行極速冷卻,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的質量隱患。圖3為使用點冷的金相組織對比。

圖3 使用點冷的金相組織對比

由于某型鋁缸體已有模具型腔結構復雜,許多型腔部位原設計時沒有冷卻通道,在壓鑄過程中,由于金屬液在極短時間內釋放高熱量,模具表面溫度變化極大,從而加大了模具熱疲勞所產生的應力,提前出現龜裂、粘膜,甚至開裂。一方面使鑄件內在品質不穩定,另一方面降低了模具壽命。所以需要重新對模具結構進行設計,保證必要部位加入高壓點冷工藝,以此確保零部件質量的長期穩定。

模具結構調整主要包含兩個步驟：首先增加局部型腔底部點冷卻的回路;其次增加型芯冷卻噴射高壓點冷。由于鋁缸體模具是由不同的鑲塊組成的,在增加點冷的設計驗證時,對于各鑲塊進行單獨設計考慮,結合實際生產中所出現質量問題部位,決定對離合器面、回油面及油氣分離器面進行模具調整。圖4為離合器面6006型芯冷卻管設計,圖5為回油面4035、4020、4036型芯冷卻管設計,圖6為油氣分離器面主油道冷卻管設計。

圖4 離合器面6006型芯冷卻管設計

圖5 回油面4035、4020、4036型芯冷卻管設計

2.2 某型鋁缸體各部位改進介紹

圖6 油氣分離器面主油道冷卻管設計

經過模具的調整后,高壓點冷被有效地應用于某型鋁缸體上,隨后便可通過實際使用后對關鍵位置的剖切、X光探傷或CT檢測,判斷該關鍵位置是否已經達到了改善的預期效果。當然,由于鋁缸體大批量生產的特殊性,一般是先通過更改1副模具觀察效果來調整后續模具的改善計劃。

2.2.1 離合器面水道

在密封測試中對于不合格的零件會進行泄漏部位的統計,泄漏常發生在加工的螺紋孔內,且周圍壁厚較厚,容易有疏松傾向。對于某型壓鑄鋁缸體,在離合面處泄漏主要集中在2個型芯孔,分別為編號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。

改進措施為在缸蓋面(離合器側、正時面側)4處螺栓孔處,增加4處預鑄孔(圖7中4處紅色部位為預鑄孔位置),另外6處螺栓孔牽涉到模具結構干涉,故無法增加預鑄孔。預鑄孔內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與凝固,從而減少內在疏松。

圖7 離合面型芯孔泄漏部位

在加入高壓點冷工藝后,應在每一次壓射完成后,操作工在工作臺側需目視檢驗回水管是否有回水流量,如果沒有回水,應立即停止生產。因為沒有回水表示高壓點冷設備系統可能出現了問題,如果不能及時解決,勢必會影響鋁缸體的內部質量。而對于增加點冷后的內在質量,也通過X光探傷對比確認型芯周圍的輕微疏松情況得到了改善。圖8為增加點冷型芯前后X光探傷對比。

圖8 增加點冷型芯前后X光探傷對比

2.2.2 回油面螺紋孔

在某型鋁缸體的回油面螺紋孔中,前期發現的缺陷主要集中于5B100和5B125這兩個孔,這兩個孔貼近主油道,且與主油道處的壁厚不均勻,非常容易出現由于縮松而產生的疏松現象,而這種細微疏松往往在密封測試時不能被識別,而在發動機運轉過程中,由于鋁缸體的工作溫度升高,導致細微疏松被逐漸放大,甚至連成片,最終導致了螺紋孔出現滲油現象。接下來將對5B100孔的改進及控制做詳細介紹。

在5B100孔增加高壓點冷型芯后,首先通過局部CT掃描進行前后對比驗證,發現增加點冷后,在油道位置周邊的疏松取得了較明顯的改善。圖9為增加點冷前后5B100周圍質量對比。

隨后對增加點冷的效果進行進一步驗證與批量控制。首先進行了過程驗證,在壓鑄完后對該螺紋孔進行模擬加工,并向螺紋孔進行局部充氣氣密檢測,在驗證階段共檢測283件鋁缸體,未發現一件存在泄漏。隨后進一步對增加高壓點冷后的鋁缸體進行發動機臺架試驗,前后共進行了3輪測試,未發現存在滲油跡象。綜上所述,可以得出,在增加高壓點冷工藝后,該處5B100螺紋孔的周邊微觀疏松得到了明顯改善,且進行的過程驗證表明,該整改已經達到了預期的效果,極大降低了該處滲油的質量隱患。

圖9 增加點冷前后5B100周圍質量對比

3 結論

根據本文的相關模擬分析和實際驗證,對實際生產過程質量有如下改進：使模具型腔達到熱平衡狀態,解決模具表面粘料、延長模具壽命、延緩模具表面龜裂的發生;使模具內在疏松、表面氣孔得以解決;利用噴射冷卻高壓點冷,掌控模具局部較小型腔的溫度調整;利用噴射冷卻高壓點冷對型芯進行冷卻,解決型芯粘料引起的鑄件拉傷及型芯出現的微疏松;提高了壓鑄產品的生產節拍和效率;減少了由于缸體質量問題導致的額外成本。

本文對高壓點冷技術在發動機鋁缸體上的應用作了較為詳盡的介紹,并描述了高壓點冷技術應用后對鋁缸體質量,特別是鋁缸體這種壁厚不均零部件局部內在質量有著非常大的改善作用,可對高壓點冷技術在發動機鋁缸體質量控制中的應用提供成功經驗和借鑒。