摘要：針對汽車發(fā)動機(jī)趨向輕量化，集成化的發(fā)展趨勢，著重闡述一種新型油底殼的壓鑄要點(diǎn)。從壓鑄設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)上拆分為3個(gè)零件，采用不同的進(jìn)澆方式和新技術(shù)等設(shè)計(jì)產(chǎn)品；從壓鑄過程控制要點(diǎn)上監(jiān)控生產(chǎn)過程中影響產(chǎn)品質(zhì)量的每個(gè)因子，以降低產(chǎn)品缺陷率。通過這兩方面控制，使產(chǎn)品合格率達(dá)97%以上，實(shí)現(xiàn)批量化穩(wěn)定生產(chǎn)。

隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，對零件的材料、設(shè)計(jì)和制造提出了更高的要求，高集成、高性能、低成本成為發(fā)展的趨勢。油底殼和下缸體都是汽車發(fā)動機(jī)的重要零鑄件，通過將下缸體平衡軸與油底殼收集過濾功能集成在同一零件上，有效地降低了發(fā)動機(jī)的自重和體積。但是，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁厚變化大，還需要拆分為不同的產(chǎn)品單獨(dú)加工后再組合加工，導(dǎo)致產(chǎn)品制造困難。

本課題研究的一款發(fā)動機(jī)集成油底殼，包含3個(gè)鑄件：油底殼本體、平衡軸瓦蓋和單個(gè)平衡軸瓦蓋。采用A380改性合金材料，鑄件平均壁厚為3 mm，最小壁厚為2.5 mm，毛坯質(zhì)量為10.74 kg，要求內(nèi)腔在300 kPa下無泄漏，油道在600 kPa和溫度超過60 ℃下無泄漏，應(yīng)用于1.5T的發(fā)動機(jī)，年產(chǎn)量40萬件，是典型復(fù)雜油底殼鑄件。

1、壓鑄設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)

1.1 澆道設(shè)計(jì)

鑄件1采用三面進(jìn)澆的設(shè)計(jì)，但著重于一邊的整體進(jìn)澆，見圖1。由于產(chǎn)品較長（上下長度達(dá)到437.2 mm），三面進(jìn)澆設(shè)計(jì)可以有效地緩解流程長的問題，從而對產(chǎn)品進(jìn)行分區(qū)域填充。但考慮到產(chǎn)品整體壁厚較厚，而且進(jìn)澆位置存在很多凸起的鑲件，為避免鋁液流動性受阻，又加強(qiáng)一側(cè)的填充，并且整體逐步收窄截面積，做鋁液加速流動的設(shè)計(jì)澆道。

圖1：鑄件1澆道

鑄件2為平衡軸瓦蓋，造型相對簡單，只有中間兩路平衡軸油槽壁厚較厚?；阡X液流態(tài)簡單，為了節(jié)約成本，提高鋁液有效產(chǎn)出率，采取單邊進(jìn)澆方案，并且進(jìn)澆口就布在壁厚區(qū)域，以便進(jìn)行補(bǔ)縮，見圖2。

圖2：鑄件2澆道

鑄件3為單個(gè)平衡軸瓦蓋，零件較?。ǔ叽鐬?3 mm×15 mm×25 mm），采用1腔8模的設(shè)計(jì)，進(jìn)行填充進(jìn)澆，見圖3。

圖3：鑄件3澆道

1.2 排氣方式

對于復(fù)雜鑄件1，采用高真空進(jìn)行排氣。鑄件2，采取普通“搓衣板”式排氣塊。鑄件3則直接采取渣包和渣包尾部模仁排氣通道。這里著重闡述鑄件1的排氣技術(shù)要點(diǎn)。

由于鑄件的高壓油道和機(jī)油濾清器等均集中于水尾，因此水尾的排氣效果是決定這些位置內(nèi)部質(zhì)量的關(guān)鍵因素。鑄件1采用高真空排氣，是為了減少鑄件水尾負(fù)壓區(qū)的氣壓。首先，真空罐的容積必須選擇≥800 L（此處的800 L是模具包含型腔和料槽的體積的10倍以上），才能快速形成負(fù)壓通道。其次，連接模具和真空機(jī)的管路，必須保證密封不漏氣，管路真空度保持在2 000Pa以內(nèi)。第三，模具使用密封膠條密封，所有頂針和型芯針都涂抹密封膠，模具合模之后，型腔真空度需保持在4 000 Pa以內(nèi)。最后，選擇密封沖頭生產(chǎn)最佳，或采用加長版沖頭進(jìn)行生產(chǎn)，以增加沖頭部位的密封面積，有效緩解漏氣進(jìn)入型腔。

1.3 模具溫度

由于高真空的特性，鋁液不完全按照理論流態(tài)充填(見圖4)，鋁液被吸入容易快速凝固在某些地方，造成壓鑄氣孔、縮孔、裂紋等壓鑄缺陷。此鑄件1的產(chǎn)品在沖頭運(yùn)行至410 mm位置開始抽真空（鋁液充滿度達(dá)到70%的要求），在540 mm位置關(guān)閉抽真空（在高速起點(diǎn)前最少空出大于300 ms的關(guān)閥安全時(shí)間），抽真空行程為130 mm，時(shí)間為0.874 s。在如此短的時(shí)間內(nèi)，必須保證被抽入的鋁液不會提前凝固在水尾重要位置。因此，這些位置的模溫，均使用油溫機(jī)分別控制在220 ℃和180 ℃。模溫升高，鋁液流動性加強(qiáng)是保證這兩處重要位置內(nèi)部質(zhì)量的關(guān)鍵。

鑄件2和鑄件3由于結(jié)構(gòu)比較簡單，填充距離短，成型較為容易，對于模具溫度的要求不高，只要模具表面溫度高，產(chǎn)品不發(fā)黑就可以。

圖4：高真空填充試驗(yàn)

1.4 模具的冷卻選擇

此鑄件1，使用了超點(diǎn)冷工藝和間歇式供水工藝。由于該鑄件生產(chǎn)需要保持較高的溫度，而且動模側(cè)有較多鑲件凸臺，既要保證高溫，又需要保證凸起的鑲件不至于形成熱節(jié)，造成收縮開裂等缺陷，就必須針對每個(gè)鑲件進(jìn)行切割處理，并將點(diǎn)冷卻打入鑲件內(nèi)部。同步外圍設(shè)備使用間歇式供水方式，在產(chǎn)品凝固階段，打開電磁閥，針對產(chǎn)品局部進(jìn)行冷卻。這樣既獲得較高的溫度，又獲得很好的冷卻效果。超點(diǎn)冷工藝是針對壓鑄型芯針設(shè)計(jì)的，見圖1中箭頭所指位置。在壁厚區(qū)域中間出4 mm的針，會直接導(dǎo)致縮孔產(chǎn)生。針對4 mm針使用超點(diǎn)冷設(shè)計(jì)，能夠解決該螺紋孔的氣孔問題。同樣在其他交叉熱節(jié)部位，能出針的位置均使用超點(diǎn)冷針設(shè)計(jì)，很大程度上緩解了燒傷、氣孔、，斷針的問題。超點(diǎn)冷和間歇式供水的時(shí)間設(shè)定，需要考慮到材質(zhì)打孔的壁厚，和其所處的位置。所以針對這些不同區(qū)域的點(diǎn)冷針都需要進(jìn)行分區(qū)控制。

鑄件2只有平衡軸中間的4 mm油槽孔和入料口Φ8 mm的螺栓光孔，使用超點(diǎn)冷控制。因?yàn)殇X液沖刷過后，會在中間壁厚區(qū)域之間形成疏松通道，必須使用超點(diǎn)冷針強(qiáng)行增加針孔周邊的致密層，設(shè)定延時(shí)1 s，冷卻10 s。鑄件3的16支Φ8 mm小針均使用超點(diǎn)冷控制，保持針孔附近的致密層厚度。

1.5 局部擠壓技術(shù)的選擇

局部擠壓銷能夠快速解決壁厚區(qū)域的縮孔，在壓鑄領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。模流熱節(jié)分析見圖5，鑄件1的熱節(jié)點(diǎn)較多，需要合理布置擠壓銷的位置。首先排除可以使用點(diǎn)冷針消除的熱節(jié)點(diǎn)，其次排除不在關(guān)鍵位置的熱節(jié)點(diǎn)，最后需要考慮擠壓銷油缸在模具內(nèi)部空間的排布，一般布置在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要杜絕漏氣的位置點(diǎn)上。基于以上設(shè)計(jì)原則，鑄件1的擠壓銷位置見圖6，鑄件2的擠壓銷位置見圖7。

圖5：鑄件1熱節(jié)

圖6：鑄件1擠壓銷

圖7：鑄件2擠壓銷

1.6 壓鑄基礎(chǔ)工藝參數(shù)的設(shè)定

鑄件1生產(chǎn)所采用的壓鑄機(jī)部分參數(shù)見表1。

表1：鑄件1部分壓鑄機(jī)參數(shù)設(shè)定

2、壓鑄過程控制要點(diǎn)

2.1 壓鑄過程中噴霧流量的控制

壓鑄過程中噴霧流量通過動、定模分開檢測，動?？刂圃? 200 mL，定?？刂圃? 200 mL。并且分開給動、定模流量設(shè)定上下偏差值，由于選用的電磁流量計(jì)精度為50 mL，設(shè)定偏差為±200 mL，200mL是減少1支噴槍后的實(shí)測值。生產(chǎn)過程中，如超出偏差值，將會直接輸出報(bào)警信號，停止壓鑄生產(chǎn)循壞。因此，可以有效預(yù)防由于噴槍堵塞造成的噴涂不到位，從而引起粘模與燒傷。

2.2 鋁液溫度的過程控制

由于使用保溫爐的保溫效果好，但升溫速度相對定量爐較慢，所以對于鋁液的來料溫度需要進(jìn)行控制。選擇鋁液澆注溫度為675±10℃，因此鋁液在運(yùn)輸澆包中的來料溫度，必須保持在700 ℃以上。低于此溫度加料，會影響鋁液在填充過程中的流態(tài)，造成局部位置氣孔比例上升。高于730 ℃加料會導(dǎo)致模具表面燒損粘鋁嚴(yán)重，影響鑄件的外觀質(zhì)量。針對保溫爐設(shè)定鋁液溫度報(bào)警，澆注溫度如不在范圍內(nèi)，保溫爐報(bào)警，并停止壓鑄生產(chǎn)循環(huán)，可以有效預(yù)防因鋁液溫度偏差產(chǎn)生的缺陷。

2.3 真空度控制

由于鑄件1模具采用動定模密封膠條密封，所有頂針及型芯針都采用涂抹密封膠來密封，料槽也使用整體料槽，但沖頭未使用專用的密封沖頭，而改用加長版沖頭（加長至150 mm）。在如此密封情況下，真空度設(shè)定超過4 kPa就報(bào)警（4 kPa是根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)過程中能保持較高合格率而設(shè)定的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)報(bào)警值），一般做到真空度2. 3k Pa附近。清潔度和堵塞值，一般都接近101 kPa，設(shè)定報(bào)警值是9 0 kPa（90 kPa是根據(jù)廠內(nèi)過濾罐的清潔周期來設(shè)定的）。一個(gè)清潔周期的末期，真空閥過濾罐要及時(shí)清理，不清理會影響抽真空效果。真空罐設(shè)定值是1 kPa，一般都在2.2~400 Pa之間。只要超出要求值就會報(bào)警，使壓鑄機(jī)停機(jī)。

2.4 壓射實(shí)際參數(shù)的監(jiān)控

壓鑄機(jī)采用國產(chǎn)宇部1650T機(jī)型，除了有自帶的壓鑄機(jī)參數(shù)控制系統(tǒng)外，還使用了二維碼追溯系統(tǒng)（廠內(nèi)稱為MES系統(tǒng)），連接壓鑄機(jī)和周邊輔助設(shè)備，使得MES系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)讀取每一模的生產(chǎn)參數(shù)，并反饋給云端，在云端進(jìn)行比對（云端比對值是提前按要求輸入云端，并按照不同參數(shù)實(shí)際達(dá)成情況輸出不同的范圍值，比如慢速就是±0.05 m/s，高速就是±3 m/s等，見表2），比對后超出區(qū)間的產(chǎn)品，會被系統(tǒng)鎖定，判定為不合格。云端大數(shù)據(jù)還會定期根據(jù)更新的數(shù)據(jù)量計(jì)算產(chǎn)品的報(bào)廢與參數(shù)的變化之間的實(shí)時(shí)關(guān)系。找出一段時(shí)間內(nèi)引起廢品率波動的原因，提高了保持產(chǎn)品合格率，壓鑄生產(chǎn)過程中有波動，可以快速排查找出問題點(diǎn)，有效促進(jìn)現(xiàn)場良性循環(huán)。

表2：鑄件1部分云端參數(shù)對比值

2.5 壓鑄運(yùn)水的控制

在運(yùn)水始端每一條都使用電磁閥控制直冷或普通點(diǎn)冷運(yùn)水的時(shí)間，運(yùn)水壓力0.4 MPa，運(yùn)水溫度為30℃的純水。除了料槽、料套、沖頭、分流錐和料套強(qiáng)冷板是常開直冷外，其余所有直冷（隔水片），大點(diǎn)冷都是電磁閥控制，延時(shí)3 s，冷卻15 s，用以保證模具溫度。所有出針，從Φ4 mm到Φ14 mm（中心管從Φ1.5 mm到Φ5.5 mm）都采用超點(diǎn)冷控制，超點(diǎn)冷運(yùn)水壓力為10 MPa，運(yùn)水溫度為10 ℃（此處溫度不能設(shè)置過低，過低會帶走較多熱量，但是會易造成斷針），每組超點(diǎn)冷同等大小的針不超過8根（超過8根就超過直徑G1/2連接管道的直徑），所有針結(jié)合起來共計(jì)6組，除了Φ4 mm的點(diǎn)冷針均設(shè)置延時(shí)5 s，冷卻13 s，Φ4 mm的點(diǎn)冷針設(shè)置延時(shí)4 s，冷卻13 s，用以針對模具溫度場中需要快速降溫的區(qū)域降溫，減少熱節(jié)的產(chǎn)生。既保證模具溫度的平衡保溫，又能夠針對性消除局部熱節(jié)，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

3、新型多功能油底殼的質(zhì)量情況

三款產(chǎn)品分為兩臺不同機(jī)臺生產(chǎn)，日產(chǎn)出按鑄件1到鑄件3分別高達(dá)980件/天，1500件/天，1.2萬件/天。三款產(chǎn)品直到最終的整體組裝，廠內(nèi)綜合合格率高達(dá)97%以上。圖8是鑄件1、2的外觀和鑄件1、2、3的內(nèi)部質(zhì)量圖片。

圖8：鑄件外觀

4、結(jié)論

(1)該款新型油底殼的設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)是3種不同的進(jìn)澆、排氣方式下，靈活運(yùn)用真空，點(diǎn)冷，擠壓、模溫平衡等的工藝，最終加工后組合成1個(gè)零件。

(2)壓鑄控制要點(diǎn)是不斷深挖影響產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定的因子進(jìn)行監(jiān)控，從而達(dá)到生產(chǎn)過程穩(wěn)定。

(3)在通過了前期方案設(shè)計(jì)和技術(shù)要點(diǎn)的識別分析后，采用趨于自動化監(jiān)控的過程控制，使得質(zhì)量情況達(dá)到高于97%的合格率。

作者：
褚鋒 李景華 曹陽陽 張維 于進(jìn)寶
廣東鴻圖南通壓鑄有限公司

本文來自：《特種鑄造及有色合金》雜志2020年第40卷第09期