东莞市精伦模业有限公司

目前,基于能源、环保的需要,社会对汽车的要求越 来越趋向于高性能、低能耗、低污染。途径有两个:一是 改进动力系统;二是减轻汽车质量,即汽车轻量化。铝 合金是汽车发动机上应用最多和最广的轻金属,因为铝 合金具有质量轻、耐腐蚀性良好等优良性能,完全满足了发动机活塞、缸体、缸盖在恶劣环境下工作的要求。某新款发动机相比旧款发动机的质 量减轻了14.7kg , 百公里油耗降低了1l,每公里co 2 的排放量降低10g 左右。
汽车发动机铸件,如缸体、缸盖、罩盖、链轮壳、油底壳等,多属于形状复杂、结构多变、尺寸精密和致密性高的铸件,由于高标准、高成品率的要求,对铝合金铸造工艺、品质保证等提出了挑战。

1 铝合金压铸缸体
图1为al-9si-3cu合金压铸缸体,其尺寸为351 mm×334 mm×269 mm,壁厚为(4±0.4)mm,毛坯质量为18.9kg,硬度(hb)为90~110。采用高磷蠕墨铸铁缸套,硬度(hb)为220~290,壁厚为4.4mm,桁磨后壁厚为2.8mm。缸体结构包含缸筒、水套、高压油道、曲轴箱、主轴承座等。

2 铝合金缸体压铸工艺及品质控制
2 .1 铝合金熔化设备及工艺
熔化采用lpg 燃气炉,其具备上料、熔化及保温功能,熔化率为3.5t/h,保温炉容量为10t。为节省能源,目前多采用铝合金液直送工艺,即由 铝合金供应商在厂内进行铝合金液的熔化,将合金液直接送至压铸车间保温炉内。合金牌号为al-9si-3cu,铝合金锭与回炉料配比为4∶6;采用直读光谱仪检测出炉前合金液成分;合金液在熔化炉保温室内进行720°c 保温,在进行炉内精炼除渣之后,出炉到转运浇包内;在转运浇包内采用氮气(99.99%)+旋转除气装置进行除气处理,可净化合金液内部残存气体及残渣;通过含气量检测装置进行除气效果评价,密度指数=(1-ρ真空/ρ常压 )×100,控制标准为≤1。

2.2 压铸模及浇注系统设计
模具采用六面抽芯结构,主要由定模部分、动模部 分、成形部分、浇注系统、抽芯机构、顶出机构、排气系 统、加热保温装置、定位导向系统等组成。压铸模材质为3cr2w8v和h13钢,抽芯棒可采用钛合金或高温合金,热处理后其硬度(hrc)达到45以上,通过表面氮化处理后,压铸模具的寿命可达10万次以上。
通常缸体压铸件的浇注系统有两种形式:单侧浇注 系统和双侧浇注系统。单侧浇注系统一般用于小型缸体,双侧浇注系统一般用于大型缸体。通过充填和凝固模拟的模流分析软件,可使浇注工艺布置得到优化。图2为单侧浇注工艺,图3为双侧浇注工艺。

2.3 压铸机及压铸工艺
为获得高品质压铸件,温度、速度、压力、时间等关 键工艺参数必须满足压铸生产的需要。
2.3.1 温 度 控 制
浇注温度控制在640~680 °c。浇注温度过高,则收缩大,铸件容易产生裂纹、晶粒粗大、粘模;浇注温度过低,易产生冷隔、表面花纹和浇不足等缺陷。浇注期间,应确保保温炉内的铝合金液表面氧化层的及时清理,否则将可能导致氧化夹杂缺陷。
压铸模在使用前要预热到一定温度。在连续生产中,压铸模温度往往升高,温度过高除使液态金属产生粘模外,也导致铸件冷却缓慢,使晶粒粗大、顶出变形等。
铝合金缸体模具加热使用6台模温加热器,所有的型芯、镶块等均采用冷却水,使模具工作温度控制在180~200°c范围内。

2.3.2 速 度 和 压 力 控 制缸体压铸件品质对压射工艺参数的变化非常敏感。速度过高容易造成铸件中的气体增加;过低则容易造成充填不良。压射压力过低,铸件中气孔、缩孔等缺陷增 加;压力过高,飞边及毛刺等缺陷增加,对模具损害也大。采取合适的压射速度(压射比压),确定合理的速度转换位置,在凝固之前对铸件实现快速增压(增压比压)。
因缸体尺寸大、结构复杂、壁厚差异大,采用28000kn压铸机,设置慢压射速度为0.2m/s左右,慢压射行程为400mm,快压射速度为5.5m/s左右,最终压力保持在45mpa左右。图4为位移、压力和速度与时间的关系曲线。
2.3.3 时 间 控 制

充填时间长短取决于铸件体积的大小和复杂程度,充填时间与内浇口的截面积有密切关系,并与冲头压射速度直接关联。充填时间最终体现为2级压射速度,即快压射速度控制在4~5m/s。合金液充填型腔完毕,将进入凝固成形阶段,此时应立即进行增压,使合金液在高压下凝固结晶,大吨位 压铸机建压时间控制在30ms以内,小型压铸机可达到10 ms。持压时间的长短取决于铸件的材质和壁厚。持压时间过短容易产生气孔、缩松;持压时间过长则铸件温 度低,收缩大,抽芯和顶出铸件时的阻力大,不仅出模困难,同时容易引起铸件开裂,一般取30s。
2.4 压铸自动化生产单元的实现
压铸机配备有浇注机械手、喷涂机器人、取件机器 人、切边机等周边附属装置,可实现全自动生产,单件节拍为110s。
2.4.1 合金液保温
通过转运浇包将成分、含气量合格的合金液转至压铸机前保温炉内进行保温,温度控制在640~680°c。
2.4.2 铸铁缸套嵌入在缸套嵌压前,缸套需要预热至90°c,避免铝合金收缩应力导致的开裂。
2.4.3 浇注系统清理
采用自动液压切边机及切边模,切除浇注系统、排溢系统及缸孔内飞边。
2.5 热处理
缸体铸造残余应力包括热应力、相变应力及收缩应力。残留应力降低了铸件的力学性能,影响铸件的加工精度。通过24h自然时效后t5处理,可以达到消除残余应力的目的。图5为t5处理曲线。
t5处理将导致铸件硬度(hb)下降8~10,通过提高cu、si、mn的含量及适当降低t5处理的温度,可得到理想的铸件硬度。其中,cu含量的增加,硬度增大效 果明显,但材料成本较高,需通过化学成分和温度的正交试验,以确定工艺方案。硬度测量点见图1中 a、b 两点。
2 .6 粗加工
为确保交付产品满足后续精加工定位及加工精度,需对毛坯进行粗加工以消除铸造公差,粗加工范围包含 定位孔、主轴承座、缸孔等,均采用加工中心完成。
2 .7试漏
粗机加后的零件需要进行试漏,分为水套试漏、高压油道、低压油腔,试漏过程主要分为充气、稳压、测量、排气4个阶段,测试参数见表1。

2 .8 浸 渗
针对要求水套泄漏量小于100ml、曲轴箱泄漏量小于500ml的泄漏零件,将进行浸渗处理,使有机浸 渗液填补进铸件的细微气孔、缩松中,使缸体达到应有 的气密性要求。对毛坯泄漏而言,浸渗只是针对表面缩 松、冷隔缺陷零件的返修,其所占比例很小。毛坯在机 加工后,厚壁缩松部位才能暴露出来,成品浸渗是重要 的返修工艺。允许2次浸渗,浸渗有效率可达99%。
3 关键技术应用
3 .1 实时参数控制
影响压铸件品质的因素是多方面的,如铸件中的气 孔、缩松、尺寸精度及表面品质等。实时压射控制系统 是由快速响应的电液伺服阀为主体所组成的闭环液压 控制系统,最终实现自动压射系统的速度和增压压力实 时控制,使每次压射过程压射速度和增压压力曲线的重 复性好,批量生产铸件的内在品质稳定。

同时,通过对压射速度、压射压力等重要参数进行spc统计控制,在每次压射过程完成后,如参数合格, 铸件将被自动标识,如超出控制限制,则铸件将被判为 不合格而被自动隔离。图6为伺服系统实时压射工艺参数压射曲线。


3 .2 真空压铸

真空压铸是将型腔内的气体抽出,金属液在接近真空状态下(4.5×10-4mpa)充填型腔,可以有效消除或减少气孔。传统压铸件是不能进行热处理的,因为残存 气体的膨胀导致铸件鼓包,而采用真空压铸,使缸体热 处 理 成 为 可 能 。

3 .3 局 部 增 压

缸体存在壁厚不均,主轴承座厚壁处因来不及补缩而导致内部缩松,加工油道孔后存在泄漏风险,仅依靠 工艺参数优化及抽真空措施不能完全避免缩松。局部 增压是当金属液充满型腔并建立最终增压压力的2s 后,立即针对厚壁部位的半固态金属以增压针再次进行 加压,使其在高压下凝固,可有效解决主轴承座厚壁部 位的缩松问题。

3 .4 高 压 水 冷
针对铸件上厚壁加工部位,如螺纹孔,加工后出现缩松导致的零件泄漏。因模具结构限制,厚壁部位的缩 松问题不能通过局部增压得以解决。通过1.0~1.5 mpa高压水,对直径大于4mm 的型芯内部进行冷却, 可使型芯周边组织先行凝固,形成致密层,减少缩松倾 向。图8为冷却管及型芯结构。

3 .5 产 品 可 追 溯 性

每个铸件的压射过程参数均在存储器中和压射系 列号对应,并将系列号标识在铸件表面,如自动判断为 合格,将自动进行激光标识二维矩阵码,其中包含设备、模具、生产日期、系列号等相关信息;如不合格,将自动隔离报废。

气孔多呈圆形,表面光亮。通过对合金液的除气处理、合理设计浇注及排溢系统、合理设置工艺参数,可以 适当降低气孔的产生。通过抽真空技术的应用,可以最 大程度地消除气孔并使后续热处理成为可能。

渣孔属于内部夹杂,外观表现为黑色、形状不规则。 产生原因是来自合金液、模具上涂料等残余随合金液充 填型腔,在铸件内部形成渣孔。解决此问题的方法,首 先,优化合金的配料,辅之精炼处理,达到净化合金液的 目的;其次,合理布置浇注及排溢系统,将前端充填的低 温、脏污合金液导入集渣包内,采用齿形激冷排气块排气集渣效果良好 。

缩松表现为组织缩松、不连续,可为孔洞和松散区域。产生的原因是合金液充填型腔的同时,压力不能及时传递并确保合金液在压力下冷却凝固,并存在局部厚壁区域液态金属收缩大于固态收缩现象。消除缩松的方法,首先,在工艺设计中须遵循顺序填充、顺序凝固、及时建压原则,确保铸件各部位在增压压力下得到合金液的及时、有效地补充;其次,采用降低局部成形部位模 具温度、局部增压、高压水冷等措施,可有效改善周边成 形品质。

对于压铸件而言,因影响因素众多,不可能完全避 免加工面存在气孔、缩孔缺陷,因此从铸造厂和主机厂 成本而言,对加工面气孔、缩孔的返修显得至关重要。 返修标准见表2。


4 重点品质问题分析及改进

4.1 降低废品率

批量生产初期废品率高达15%。图9为铸件缺陷类 型。主要缺陷为油道及水套泄露值超出可浸渗上限、加 工面缺陷等。加工面缺陷有气孔、渣孔、缩松3种形式。

4 .2 降低泄漏率

批量生产初期,机加工后缸体泄漏率高达40%,浸 渗后缸体需要重新试漏,严重影响生产效率。统计发 现,泄漏部位主要集中在主轴承座螺栓孔、机油泵安装 螺栓孔处。

经过 ct 检测发现,在主油道和螺栓孔之间存在较 大面积缩松。因该处属于厚壁部位,局部厚度达到50 mm,冷凝速度慢,周边金属来不及补缩,且离浇口位置 远,压力无法及时传递,导致缩松出现。为减少此处壁厚、确保周边金属均匀收缩,在主轴承座螺栓孔处及机油泵安装螺栓孔处增加了预铸孔,尺寸 分 别 为 6 m m × 1 5 m m 、 3 .5 m m × 1 5 m m 。 通过增加预铸孔,缸体毛坯加工后试漏合格率提高 到90%。在复制模上采用了主轴承孔的局部增压工艺,试漏合格率进一步提高。

4 .3 减 少 裂 纹

该产品裂纹主要为缸体水套外壁深腔部位裂纹和 缸套间铝合金裂纹。缸体水套外壁深腔部位裂纹属于典型的冷裂,因此 处型腔较深,合金凝固后对型芯包裹力大,强制脱模导 致拉裂,通过加大起模斜度及过渡段圆角、模具定期抛 光、增加局部涂料润滑,可有效解决此类问题。缸套间铝合金裂纹属于典型的热裂,应力一方面来 自缸套和铝合金的收缩率差异,铝合金凝固时收缩率较大,受到缸套的阻力产生拉应力;另一方面来自产品结 构设计的壁厚差异。裂纹处壁厚仅3mm,受到两侧厚 壁部位凝固时产生的拉应力。通过严格控制缸套的预 热温度可减少热裂纹风险;通过提高缸套定位芯轴精度 和缸套制造精度,可同时减少热裂纹及冷裂纹风险。

5 关键特性标准及检测手段

5 .1 孔 隙 率

铸件内在缺陷主要为气孔和缩孔。气孔、缩孔的存在 ,对 铸 件 的 强 度 、气 密 性 、表 面 结 构 以 及 外 观 都 有 影 响 。 当通过外力对零件加负荷时,在对应的铸件截面产生一个应力,它和外力及零件截面积成比例。有气孔、 缩孔的有效截面积减少,应力增大,一旦形成的应力超 过材料的弹性限值,将产生永久变形,最终导致断裂。此外,截面积缩小引起的应力升高,将产生与气孔、缩孔形状有关的应力集中,应力集中随着气孔表面积和孔径 的增大而增大。有关铝合金铸件疲劳强度的研究表明, 孔隙率从气孔级别0增加至级别8,疲劳强度降低15% ~20% 。 对有密封要求的铸件或机加密封面而言,气孔、缩松将损害铸件的密封性。同时,当铸件进行表面喷凃、热处理时,铸件表面的气缩孔将导致中断和表面气泡的产生。孔隙率的检测分为有损和无损检测。有损检测是采用放大25倍的金相图剖面,通过分析软件来定量评 估孔隙率;无损检测采用工业 ct 进行。

5 .2 缸套结合力

缸套作为镶嵌件置入模具中,为确保缸套和铝合金的结合,在缸套表面留有螺纹状或者凸刺状表面(高度为0.7 ~ 0.9mm)。 缸套结合力的影响主要来自浇口的工艺布置、缸套表面形状的选取,如缸套结合力不足将导致发动机运转时产生敲缸噪音。目前缸套结合力的检测无统一标准,多采用纵向剖 面剥离、横向剖面着色渗透、结合面低倍放大、结合面覆 盖率等方法进行多重评估、对比分析。

结合面覆盖率=(360°-缝隙角度)/360°×100%,图10中结合面覆盖率为67 % 。


5 .3 清洁度

缸体作为发动机的核心部件,对其清洁度要求极为严格。为确保机加成品缸体的清洁度及清洗过程稳定,对铸件毛坯的清洁度也作了明确的规定,要求质量≤ 300mg,允许最大颗粒直径为2mm。

目前,清洁度检查操作方法也形成了相关标准,如清洗液牌号、冲洗压力、冲洗位置、试样收 集、烘干、称重均有明确的规定,同时相关检测硬件设备和分析软件也实现了标准化配置。分析软件可在显微镜下实现自动分析颗粒大小级别及数量分布情况。

为此,铸造厂需要增加机加后清洗工序,多采用通 过式高压清洗机,并在批量生产过程中针对质量及最大颗粒实施统计控制。

6 结语

针对某铝合金发动机缸体的生产工艺及设备、关键 压铸技术的应用、重点品质问题的分析及改进、检测等 方面作了详细介绍。目前此发动机在国内汽车市场占 有率高达20%,该铝合金缸体的批量投产极大地促进 了国内铝合金缸体压铸技术及周边技术的提升。