铝合金气缸盖气密性缺陷的改进.pdf

· ·铝合金气缸盖气密性缺陷的改进收稿日期：2017-02-22收到初稿，2017-05-04收到修订稿。作者简介：甄广北（1970-），男，铸造质量工程师，主要从事产品质量检验及技术开发工作。E-mail：zhenguangbei@163.com甄广北（中国航发哈尔滨东安发动机有限公司，黑龙江哈尔滨 150066）摘要：金属型铸造汽车发动机铝合金气缸盖机械加工后的废品中，气密性废品一直占到废品总数的约50%。对气缸盖机械加工后气密性废品产生的主要原因进行了深入分析，并从生产实际出发，以科学试验数据为依据，通过对生产工艺和生产过程控制等方面进行改进与完善，从而减少了气密性废品，提高了气缸盖的机械加工合格率。关键词：金属型铸造；铝合金；气缸盖；机加工；气密性中图分类号：TG146.2+1 文献标识码：A 文章编号：1001-4977（2017）06-0639-03ZHENGuang-bei(AECCHarbinDonganEngineCo.,Ltd.,Harbin150066,Heilongjiang,China)ImprovementofAirtightnessDefectsinAluminumAlloyCylinderHeadAbstract：Amongthescrapped-productsofmachinedaluminumalloycylinderhead,whichismadebypermanentmoldcasting,airtightnessscrapped-productsalwaysaccountfor50%ofthetotals.Thisarticledeeplyanalyzesthemaincauseoftheairtightnessscrapped-productsofmachinedcylinderhead,onthebasisoftheactualmanufacturingandscientificexperimentdata.Themanufacturingprocesseswereimproved,soastoreducethescrappedproductsandimprovethequalificationrateofthecylinderheadmachining.Keywords：permanentmoldcasting;aluminumalloy;cylinderhead;mechanicalprocessing;airtightness铸造FOUNDRYJun.2017Vol.66No.61 气缸盖生产工艺及渗漏缺陷我厂生产的汽车发动机铝合金气缸盖采用的是金属型重力倾转铸造，使用的材料是ZL-105铝合金，该合金属于铝硅类合金，其主要化学成分见表1，气缸盖铸造生产工艺流程图见图1。气缸盖铸件机械加工后进行气密性检查，出现较多的气密性渗漏废品，主要渗漏缺陷位置见图2。渗漏废品约占机械加工废品总数的50%，严重地影响了气缸盖的机械加工合格率，也造成了很大的经济损失。因此，从根本上分析气缸盖气密性废品的产生原因，图1 气缸盖生产流程图Fig.1Theproductionflowchartofcylinderhead表1 气缸盖主要化学成分Table1Themainchemicalcompositionscylinderhead B/%Si4.5~5.5Cu1.0～1.5Mg0.4～0.6Fe≤1.0Mn≤0.5Zn≤0.3Al余量（b）氧化夹渣缺陷部位图2 气缸盖气密性渗漏主要部位Fig.2Themainleakagepartsofcylinderheadairtight（a）气孔缺陷部位639万方数据· · FOUNDRYJun.2017Vol.66No.6克服并解决气密性渗漏质量问题成为提高机械加工合格率的主要课题。2 气密性渗漏主要原因分析对气密性渗漏铸件进行解剖检查发现，气密性渗漏位置存在气孔、夹渣缺陷，气缸盖铸件本身有缺陷，组织不致密是造成气密性检查时铸件渗漏的主要原因。2.1 气孔气缸盖铸件的气孔缺陷从理论上讲有两种产生途径。其一，金属液在结晶时，随着温度的降低，过饱和的气体就会向气泡核心扩散，使气泡不断长大。当气泡长大到一定临界尺寸，气泡所受浮力大于界面对气泡的吸附力，气泡就会从金属液中析出。但铸件结晶时产生的气孔缺陷，理论上属于针孔缺陷，不会产生大的气孔，而且针孔缺陷和铸件冷却速度有关。因本缸盖铸件采用重力金属型铸造，冷却凝固速度快，不会产针孔缺陷。其二，浇注过程中，砂芯接触到高温金属液立即产生气体，如果产生的气体没有及时上浮到冒口或排出型腔外，就会卷入到铸件当中。气孔集中到铸件上部和排气不畅部位，如在气缸盖进气面螺纹孔处、排气面大的油包处和冒口根部等部位。2.2 氧化夹渣2.2.1 一次夹渣一次夹渣主要在铝合金液熔炼时产生，炉料的纯度和炉料的存放条件对缺陷产生重要影响。炉料纯度：尤其是从机加车间转回的废品，往往粘有油污和冷却液，没有处理就用作回炉料。炉料的存放条件：吸附是金属吸气的开始，因此炉料的存放条件、气体和水分与炉料的接触对铝合金液中包含的气体夹渣有很大影响。如果不注意上述质量问题，就会让非金属夹杂物污染铝合金液。另外，中间合金的影响，精炼方式不佳，浇注系统排渣不净也是形成一次夹渣的原因。2.2.2 二次夹渣二次夹渣主要是在浇注过程中产生的氧化夹渣。从熔炉中取出铝合金液，经浇包倒入浇口杯，直至铸造机翻转倒入模具，在此过程中，铝合金液与大气接触时间越长、接触面积越大，则产生二次夹渣的机会就越高。因此，在浇注过程中应尽量避免铝合金液的飞溅、涡流，以避免卷入气体及夹渣。实践证明，铸件一次氧化夹渣很少，主要是二次氧化夹渣。3 解决措施造成铝合金气缸盖机加气密性渗漏的根本原因是由于铸件中存在气孔和夹渣等冶金缺陷，工艺改进从防和排等方面解决；另外，还有一个重要原因是由于操作人员和设备等造成的气性漏检。因此，解决气缸盖机加工气密性废品质量问题也应该从这几方面入手。3.1 工艺改进3.1.1 铸造机翻转参数的调整重力倾转铸造一个关键工艺参数是浇注机的翻转参数，其直接影响浇注时产生气孔和夹渣的倾向，以及能否及时把产生的气孔和夹渣排出铸件本体和铸型之外。铝合金气缸盖采用90° 翻转，顶注式重力浇注，铸造机翻转过程中极易产生铝液飞溅、紊流和卷气，从而造成浇注过程的二次氧化夹渣和气孔，这些氧化夹渣和气孔正是造成气密性渗漏的主要原因。因而，如何优化浇注翻转参数，是减少气密性废品的一个重要手段。对1#-5#重力浇注机所对应的产品的质量进行了对比分析，结果如表2所示。从表2中可以看出，2#浇注机气密性废品数量最少，3#浇注机废品数量最多。通过观察发现，3#浇注机由于设备问题，在翻转过程中为“颤抖”式翻转，铝合金液极不平稳。针对这一现状，对浇注机的翻转参数进行了统计，统计结果见表3。鉴于2#浇注机废品数量较少的情况，我们将其他浇注机参照2#浇注机参数调整，最终确定为Ⅰ速3.8s，Ⅱ速为2.7s。在此速度下，各浇注机刚好不会出现冷隔、浇不足等负面影响，而又使浇注机平稳翻转。通过加工考察，其余浇注机的机加气密性废品数量也有所降低。3.1.2 改善气缸盖模具排气性气缸盖外模的排气槽最初是方形的排气槽，排气效果不佳。因此，借鉴国外同类铝合金气缸盖模具的特点，将进气面的排气槽由方形的改为深0.8mm、间表2 铝合金气缸盖气密性缺陷废品统计Table2TheairtightdefectwastestatisticsofAluminumalloycylinderhead浇注机编号废品数量/件1#722#83#934#585#59表3 调整前浇注机翻转速度Table3Theturnoverspeedofpouringmachinebeforeadjusting浇注机1#2#3#4#5#I速/s3.43.82.62.8II速/s2.42.72.72.7总计/s5.86.56.85.35.56.8640万方数据· ·铸造 甄广北：铝合金气缸盖气密性缺陷的改进距5mm、相交60° 的菱形排气槽。另外，恢复使用了气缸盖模具的抽气装置。当浇注机由水平向垂直方向翻转时，抽气装置开始工作，对模具型腔进行抽气，使型腔压强减小，这种负压使铝合金液中无力溢出的气泡可以浮出合金液面，进入型腔，从而减少气孔产生的几率。3.1.3 改进铸件局部结构通过持续对气缸盖机械加工气密性废品的复查和统计（表4），我们找到了渗漏相对集中的位置。从表4中可以看出，凸台附近是渗漏的集中部位，约占75%，因此只要解决了此处的渗漏问题，外壁渗漏废品的数量将会大大减少。分析发现，凸台处为厚大部位，与进气面的平面间存在热节，是缺陷相对集中的位置。为此，将脐子附近的平面适当地加厚1.5mm，再将进气面壁厚增加1mm。3.2 设备改进3.2.1 改进气密性试验机油管位置由于现有设备的条件限制，当气缸盖打压出现渗漏时设备不能自动报警，因此在打压过程中需要工人用肉眼观察以便及时发现问题。设备修理前，油管多集中在进气侧，而由于铸造原因进气侧又是缺陷较为集中的部位，因此经常出现因油管挡住工人视线而无法发现废品的情况。鉴于这种情况，我们对试验机进行了改造，将原先集中在进气侧的油管改到侧面，极大地方便了工人观察，从而减少了气密性漏检的几率。3.2.2 改进封堵用胶皮尺寸在进行气密性打压试验时，最初使用的密封胶皮尺寸较大，将气道与水腔完全遮住，当出现气泡时，工人无法准确判断是由于封堵不严还是气性渗漏所致，不利于发现气道渗漏的废品。经工艺员与设备技术员共同研究，将原有胶皮尺寸减小，在完全封住水腔的同时将气道露出一半，这样既保证了打压时能封严，又保证了操作人员对气道渗漏能正确地判断。3.3 过程控制3.3.1 塞片孔铲伤控制在清理气缸盖时，因工人操作问题，塞片孔位置时常出现铲伤缺陷。在气缸盖打压时，无法判断是由于塞片孔位置存在缺陷导致的渗漏，还是从铲伤位置出现的渗漏。为此，由气密性工序操作人员对塞片孔铲伤件进行统计，对清理工段操作人员进行考核。这项措施的实施，明显地降低了塞片孔铲伤缸盖的数量，为气密性工序的正确判断提供了保证。3.3.2 气密性漏检控制通过对机械加工车间产生的气密性废品复查发现，有相当一部分气密性废品是由于内部气密性漏检造成的。因此，如何将存在气密性缺陷的铸件控制在内部也是减少机械加工气密性废品的一项重要措施。为了提高工人的积极性，我们对在机械加工车间产生的气密性废品进行复查，对于内部可以发现的废品落实责任人，给予适当经济处罚；当水路废品的比例占投产比例的1.0%以下时，则给予操作人员一定奖励。这项措施在一定程度上激发了工人的积极性，工人的工作态度和工作方法也发生了明显的改变。3.3.3 砂芯质量控制制芯工序是铝合金气缸盖铸造生产的第一道工序，砂芯的固化质量直接影响着铸件的气密性合格率。如果砂芯固化不完全，浇注时就会产生大量气体，导致气缸盖铸件出现氧化夹渣和气孔缺陷。为了保证砂芯质量，我们制定了《砂芯质量检查》 制度，制定了砂芯固化样件，设定了影响砂芯固化质量的芯盒工作温度、固化时间等工艺参数，每天由组长对砂芯质量进行抽查，从根本上保证了砂芯的固化质量，进而减少了浇注时气体的产生。4 结束语重力铸造汽车发动机铝合金压铸气缸盖经过持续攻关和改进，在生产工艺及过程控制等方面都已经比较完善和成熟，气密性废品数量明显下降，由原废品率的约5%下降到约0.5%，机械加工合格率得到稳步提高。（编辑：曲学良，qxl@foundryworld.com）表4 气缸盖外壁渗漏位置统计Table4Theleakagelocationstatisticsofcylinderheadouterwall渗漏位置数量/件第一圆形凸台附近42第二圆形凸台附近54第三圆形凸台附近49第四圆形凸台附近37气道30其他部位31641万方数据