缸體鑄件清潔度質量持續改善

劉五寶，利任澤，萬修根

（江鈴汽車股份有限公司鑄造廠，江西 南昌 330001）

1 背 景

缸體內腔清潔度質量是汽車發動機的關鍵質量特性，直接影響發動機的使用性能與使用壽命。與之相關的常見缺陷是發動機拉缸、拉瓦、活塞磨損、連桿磨損、水道或油道堵塞，因此越來越受到重視，除需要控制內腔殘余異物總量外，還要控制殘余異物的顆粒度大小[1]，對于我廠來說，清潔度質量影響的因子有很多，如坭芯砂潰散性能、缸體保溫時間、涂料的滲透深度、清理過程工藝等。

G501 汽油機缸體是我廠新開發的薄壁缸體，缸體平均壁厚3 mm，清潔度質量要求鑄件內腔異物總量≤2.5 g，加工清洗后顆粒度≤2 000 μm.為了保證這一要求，需要對缸體油道進行噴丸處理，但因噴丸機噴嘴數量有限，對缸體水套只能靠拋丸來保證。開發初期，因擊芯工藝、缸體水套結構及油漆工藝等原因，清潔度質量偶有超標情況發生，主要指缸體內腔異物（坭芯砂、批縫鐵、鋼丸、油漆等）清理不干凈，內腔殘余異物總量超標，缸體加工成成品后，對缸體進行清潔度檢測發現缸體內有粉末顆粒度尺寸超差現象，質量過程能力為CPK1.03，而對于關鍵質量特性，CPK 值要求在1.67 以上，清潔度需要持續改善至1.6 g 之內。本文針對這些問題進行了一些摸索。

2 持續改善

2.1 擊芯工藝改進

本廠使用的擊芯機為L415 型，缸體用擊芯架擺放好后，前后端使用擊芯塊振擊缸體，動力源為壓縮空氣，使得缸體水套、油道內腔坭芯砂松散，然后脫落，如圖1 所示。由于原生產的鑄件相似度大，擊芯機的擊芯塊振擊缸體部位、振擊時間、振擊氣壓這些工藝參數等均相對固定可不調整，對于G501缸體薄壁件，既要保證缸體坭芯砂去除，還要保證擊芯不損傷缸體，需要重新設計擊芯塊振擊缸體部位、振擊時間、振擊氣壓這些工藝參數。

圖1 L415 型擊芯機進行缸體擊芯

結合系列試驗，最終通過設備改造增加一路氣管、增加一套控制程序（見圖2），來控制具體擊芯關鍵參數，最終優化為擊芯氣壓0.45 MPa～0.60 MPa，擊芯時間為12 s～15 s，增加的程序專門擊芯G501缸體薄壁件，缸體擊芯架高度設計為402 mm.擊芯后缸體水套及油道內腔坭芯砂去除95%以上，缸體損傷缺陷率為0.而改善前，缸體內腔芯砂殘留問題與缸體損傷問題交叉出現。

2.2 拋丸工藝改進

我廠用的拋丸機是DV-2 機械手型拋丸機，機械手夾持缸體在拋丸室內旋轉，拋丸室內布置4 個拋頭，拋頭的電機功率為4×45 kW，拋丸的材料是1.7#鑄鋼丸，單個缸體拋丸時間為60 s.

投產初期，出現缸體水套內坭芯砂拋丸不干凈問題，經分析主要原因為：

1）G501 缸體不同于我廠一直以來生產的其他缸體，該缸體水套腔左右側無出砂孔，僅水套頂面存在空腔比較窄的排砂通道（寬約為7 mm），并且水套腔很深，擊芯時水套砂只是擊散而未排出，嚴重影響后續的拋丸處理；

2）因拋頭噴射距離和噴射角度難以掌握，必須通過試驗來尋求最佳噴射位置和時間[2]。

通過試驗調整摸索，采取如下措施：

1）調整拋丸啟動角度為缸體頂面朝下，啟動時，缸體邊倒砂邊拋丸，以保證缸體水套擊打鋼丸數量多；

2）調整拋丸旋轉方式，將初期設計的鐘擺式拋丸+旋轉方式，調整為缸體一直旋轉式拋丸，針對G501 缸體水套形狀，增加水套部位倒砂及拋丸時間11 s；

3）調慢缸體旋轉速度，由120°/s，調整為90°/s，以更好的傾倒缸體水道內的坭芯砂，以及保證更多的鋼丸擊打水套本體。

通過優化G501 缸體擊芯、拋丸兩道工序之后，缸體內腔清潔度（主要是坭芯砂）質量得到很大提升，通過統計數據分析，過程能力已達到CPK1.97，如圖3 所示。

2.3 G501 缸體靜電噴粉工藝改進

我廠缸體鑄件表面采用靜電噴粉（樹脂粉末）工藝，缸體非噴涂部位采用擋板遮擋，使得粉末噴不到缸體水套、油道內腔。G501 缸體開發初期，缸體加工成成品后，對缸體進行清潔度檢測，發現缸體內有粉末顆粒度尺寸超差現象（要求≤2 000 μm），實際測量為長2 519 μm×寬1587 μm，如圖4所示。主要是由于鑄件靜電噴粉后，表面的粉末在加工后，粉末不易破碎，而是形成片狀或者大顆粒狀存在于缸體水套、油道內，因其有一定粘性不易沖洗去除，故此造成缸體清潔度超標問題。

2.3.1 試驗方案

由于影響顆粒度的因素復雜且較多，為了較好地改善顆粒度問題，主要對電壓、粉末厚度、固化溫度、固化時間、粉末類別五個因子的兩個水平進行DOE 實驗，具體試驗方案與試驗結果見表1.

表1 G501 缸體靜電噴粉工藝試驗設計及顆粒度結果

2.3.2 試驗結果分析

通過試驗數據進行Minitab 分析可得出如圖5所示的結果，即樹脂粉末原材料成分、缸體表面粉末厚度尺寸、粉末固化溫度這三者為顯著因子。

圖5 體表面粉末顆粒度影響因子圖示

另外，要控制好粉末顆粒度達標，即缸體表面粉末顆粒度在1 002 μm 左右，從圖6 結果得知，三個顯著因子應控制為：缸體表面粉末厚度70 μm；固化溫度260 ℃；粉末原材料使用HF20JL 型號粉末。

圖6 體表面粉末顆粒度優化工藝數據

2.3.3 應用結果

在后續批量生產過程中，選用HF20JL 型號粉末原材料，缸體表面粉末厚度控制在50 μm～80 μm，固化溫度設定區間240 ℃～265 ℃，進行大批量生產，缸體進行加工后，表面粉末顆粒度全數合格，在600 μm～1 105 μm 范圍內。

3 結束語

通過從擊芯、拋丸、靜電噴粉三個關鍵工藝過程入手，對設備、工裝、過程工藝參數、原輔材料等幾個方面進行工藝優化，G501 缸體的清潔度質量得到了改善，并取得顯著效果，積累了一些經驗，本文旨在總結改善過程，為后續改進提供參考。