原標(biāo)題：鋁合金氣缸蓋和曲軸箱通風(fēng)道缺陷分析及工藝優(yōu)化

摘要

針對(duì)重力澆注鋁合金缸蓋曲軸箱通風(fēng)道缺陷（斷芯），采用魚骨圖分析法對(duì)缺陷的形成原因進(jìn)行了分析，對(duì)鑄造工藝進(jìn)行了分析和優(yōu)化。通過優(yōu)化調(diào)整曲軸箱通風(fēng)道砂芯（Blowby砂芯）與底框砂芯、冒口砂芯的結(jié)構(gòu)以調(diào)整砂芯間配合間隙，并通過增加工位器具和增加下芯夾具報(bào)警裝置等措施，經(jīng)過生產(chǎn)驗(yàn)證確定了最終鑄造工藝方法。消除了曲軸箱通風(fēng)道缺陷（斷芯），提高了鑄件質(zhì)量，降低了廢品率。

曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)PCV（Positive Crankcase Ventilation）是目前在發(fā)動(dòng)機(jī)上廣泛應(yīng)用的一項(xiàng)技術(shù)，它可以防止曲軸箱壓力過高，延長(zhǎng)機(jī)油使用壽命，減少零件磨損和腐蝕，防止發(fā)動(dòng)機(jī)漏油等。完整的PCV包括通風(fēng)腔、油氣分離系統(tǒng)、曲軸箱壓力控制系統(tǒng)、回油腔及呼吸管五個(gè)部分。如圖1所示，“通風(fēng)腔”由缸蓋、缸體及曲軸箱中的通道組成，發(fā)動(dòng)機(jī)做功過程形成的竄氣通過通風(fēng)腔導(dǎo)入油氣分離系統(tǒng)。

圖1 曲軸箱通風(fēng)腔

砂芯是指芯盒內(nèi)用芯砂制成的型芯，其功能是形成鑄件的內(nèi)腔、成形孔及鑄件外形不能起模的部位。

氣缸蓋中的曲軸箱通風(fēng)道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由Blowby砂芯形成，在批量生產(chǎn)狀態(tài)下，Blowby砂芯易斷裂，造成曲軸箱通風(fēng)道缺陷（斷芯）。

以我公司某氣缸蓋為例，鑄件如圖2所示，最小壁厚4 mm，本文旨在通過魚骨分析法的應(yīng)用，找到缺陷原因，并通過砂芯結(jié)構(gòu)優(yōu)化和過程檢測(cè)方法優(yōu)化等措施，大幅降低缺陷發(fā)生比例，降低產(chǎn)品綜合廢品率。同時(shí)，對(duì)已有的三種形成氣缸蓋和曲軸箱通風(fēng)道的鑄造工藝方式進(jìn)行對(duì)比，探討優(yōu)劣勢(shì)。

圖2 鑄件

1 鑄造工藝簡(jiǎn)介

該鑄件采用傾轉(zhuǎn)澆注工藝金屬型鑄造，鋁液成分：AlSi10Mg（Cu），具體成分參照DIN EN 1707。鑄件內(nèi)部復(fù)雜型腔由砂芯組合形成，砂芯組合情況如圖3所示，分為上芯組、下芯組和Blowby砂芯（以下簡(jiǎn)稱為BB芯）。鑄造工藝如圖4所示，鋁液使用旋轉(zhuǎn)除氣機(jī)精煉除氣，砂芯使用無機(jī)制芯機(jī)制做。如圖5所示，砂芯通過人工操作的方式在組芯胎具上組合，先放置下芯組，再放置BB芯，最后放置上芯組。

圖3 砂芯

圖4 制造工藝

圖5 組芯過程

BB芯與上芯組和下芯組分別有一處定位（圖6），組合好的砂芯經(jīng)下芯機(jī)器人取芯和轉(zhuǎn)運(yùn)后，平穩(wěn)地放置于固定在傾轉(zhuǎn)澆注機(jī)上的金屬模具中。

圖6 砂芯定位

鋁液通過搭載在澆注機(jī)器人上的澆勺舀取和轉(zhuǎn)運(yùn)后，澆注到澆口盆中，最后通過設(shè)備傾轉(zhuǎn)，鋁液由進(jìn)氣側(cè)進(jìn)入模具型腔，完成澆注（圖7）。澆注溫度為715~735 ℃，傾轉(zhuǎn)澆注時(shí)間10~14 s，傾轉(zhuǎn)角度100°。

圖7 澆注過程

2 缺陷分析與工藝優(yōu)化

2.1 缺陷問題描述

采用上述制造工藝批量生產(chǎn)，如圖8所示，毛坯發(fā)現(xiàn)較大比例的BB芯斷芯情況，斷芯較嚴(yán)重的鑄件甚至造成泄漏，缺陷比例15%。

圖8 曲軸箱通風(fēng)道缺陷（BB芯斷芯）

2.2 繪制缺陷產(chǎn)生原因魚骨圖

魚骨分析法，即因果分析法，通過構(gòu)建魚骨圖分析問題的根本原因，廣泛用于技術(shù)和管理領(lǐng)域。

從人、機(jī)、料、法、環(huán)和測(cè)六個(gè)方面分析BB芯斷芯缺陷的原因，如圖9所示，繪制成魚骨圖，通過魚骨圖可以理清問題發(fā)生的根本原因，對(duì)后續(xù)的措施制定提供便利。通過現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證需要優(yōu)化以下4個(gè)方面：優(yōu)化冒口砂芯與BB芯配合結(jié)構(gòu)；優(yōu)化底框砂芯與BB芯配合結(jié)構(gòu)；優(yōu)化BB芯轉(zhuǎn)運(yùn)和存儲(chǔ)方式；優(yōu)化下芯夾具報(bào)警裝置。

圖9 BB芯斷芯原因分析魚骨圖

2.3 冒口砂芯與 BB 砂芯配合結(jié)構(gòu)優(yōu)化

BB芯與冒口砂芯頂端配合情況如圖10所示，通過冒口砂芯形成的凹槽對(duì)BB砂芯頂端進(jìn)行定位，生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，該配合間隙較小（單邊0.2 mm），稍有波動(dòng)就會(huì)發(fā)生斷芯。

圖10 BB芯、冒口砂芯結(jié)構(gòu)及優(yōu)化方案

方案一：取消冒口限位結(jié)構(gòu)，解決BB芯與冒口砂芯配合間隙小問題。生產(chǎn)驗(yàn)證過程中，BB芯斷芯得到明顯解決，缺陷比例0.1%以下，但受傾轉(zhuǎn)工藝影響，只通過與底框砂芯和金屬模的定位，無法保證澆注過程BB芯的位置度，發(fā)生25%以上的位置偏移情況（如圖11所示），尺寸超差風(fēng)險(xiǎn)明顯提高。

圖11 BB芯位置度超差

方案二：配合位置增加倒角（3°），減小配合過程剮蹭。生產(chǎn)過程中，無明顯改善。

方案三：結(jié)合傾轉(zhuǎn)工藝，BB芯只向傾轉(zhuǎn)一側(cè)偏移（進(jìn)氣側(cè)），在方案二更改的基礎(chǔ)上，優(yōu)化BB芯芯頭結(jié)構(gòu)，取消排氣側(cè)砂芯配合。生產(chǎn)驗(yàn)證過程中，斷芯比例由15%降低到2.5%，有效解決因冒口砂芯與BB芯干涉造成的斷芯情況。

2.4 底框砂芯與 BB 砂芯配合結(jié)構(gòu)優(yōu)化

受結(jié)構(gòu)限制，在芯盒設(shè)計(jì)時(shí)，如圖12和圖13所示， BB芯與底框砂芯定位的定位面存在分型面，砂芯連續(xù)生產(chǎn)過程中，存在微量錯(cuò)箱、漲箱的情況（0.1~0.3 mm），直接造成BB砂芯下不到位的情況。

圖12 BB芯與底框芯配合情況

鑄造工藝設(shè)計(jì)時(shí)，BB芯與底框砂芯配合位置的對(duì)應(yīng)倒角尺寸一致，圓角尺寸3 mm（圖13）。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，將BB芯圓角尺寸調(diào)整為4 mm，有效解決了砂芯下不到位問題，斷芯比例由2.5%降低到1.8%。

圖13 BB芯與底框芯倒角尺寸

2.5 BB 芯轉(zhuǎn)運(yùn)、儲(chǔ)存方式優(yōu)化

原有的生產(chǎn)方式，BB芯通過芯車進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)和儲(chǔ)存，水平擺放在芯車上，轉(zhuǎn)運(yùn)過程可見明顯抖動(dòng)，偶發(fā)可見斷裂砂芯。通過設(shè)計(jì)BB芯工位器具，增加隔斷固定并將BB芯統(tǒng)一儲(chǔ)存，統(tǒng)一轉(zhuǎn)運(yùn)，斷芯比例由1.8%降低到1.4%。

2.6 下芯夾具報(bào)警裝置優(yōu)化

在生產(chǎn)過程中，冒口砂芯質(zhì)量大，下芯夾具發(fā)生微小異常時(shí)，如氣撐漏氣、氣壓波動(dòng)和氣撐柱脫扣等問題，易發(fā)生冒口砂芯微小下沉的情況。當(dāng)下沉量超過2 mm時(shí)，會(huì)擠壓BB芯，造成斷裂。如圖14①所示，正常工作狀態(tài)下，冒口砂芯水平，報(bào)警指示燈顯示綠色。如圖14②所示，當(dāng)冒口砂芯下沉量超過1 mm時(shí)，紅外檢測(cè)裝置檢測(cè)異常，紅色報(bào)警燈閃爍，及時(shí)反饋生產(chǎn)人員，能有效避免BB芯斷裂發(fā)生，斷芯比例由1.4%降低到0.2%以內(nèi)。

圖14 下芯夾具報(bào)警裝置

2.7 生產(chǎn)驗(yàn)證

通過砂芯結(jié)構(gòu)優(yōu)化和過程控制方法優(yōu)化，改進(jìn)了鑄造工藝，有效解決了BB芯斷芯問題，斷芯比例由15%降低到0.2%以內(nèi)。

3 曲軸箱通風(fēng)道的3種鑄造工藝方式對(duì)比

如圖15所示，現(xiàn)有的曲軸箱通風(fēng)道的形成有3種鑄造工藝方式：冒口砂芯+BB芯+底框砂芯；冒口砂芯+BB芯+粗加工；冒口砂芯+BB砂芯。

圖15 曲軸箱通風(fēng)道鑄造工藝

3.1 冒口砂芯+BB芯+底框砂芯

本文討論的情況，BB芯與冒口砂芯和底框砂芯兩種砂芯同時(shí)進(jìn)行定位，對(duì)生產(chǎn)過程要求高，易發(fā)生BB芯斷芯缺陷。優(yōu)勢(shì)是不需要線下打膠組芯工序，節(jié)省人員，工藝優(yōu)化后組芯操作簡(jiǎn)單。

3.2 冒口砂芯+BB芯+粗加工

如圖16所示，該缸蓋產(chǎn)品曲軸箱通風(fēng)孔通道罩蓋面通孔由BB芯形成，燃燒室面通孔由粗加工形成，無BB芯斷芯缺陷，但組芯打膠工序存在0.1%以下的砂芯組不到位情況。

圖16 鑄造工藝及實(shí)物照片

優(yōu)勢(shì)：BB芯與冒口砂芯定位，通過制作適當(dāng)?shù)奶ゾ?，保證尺寸精度；隨著缸蓋的更新?lián)Q代，對(duì)曲軸箱通風(fēng)道的尺寸要求越來越高，通過粗加工將通道加工通，尺寸精度高。

劣勢(shì)：需要線下組芯打膠工序，工藝流程長(zhǎng)；需要增加粗加工工序，影響加工節(jié)拍。

3.3 冒口砂芯+BB芯

如圖17所示，該缸蓋產(chǎn)品曲軸箱通風(fēng)道罩蓋面通孔由BB芯形成，BB芯與冒口砂芯單點(diǎn)定位。

圖17 砂芯工藝

該產(chǎn)品正在開發(fā)階段，減少了BB芯與底框砂芯的定位，原設(shè)計(jì)不考慮后續(xù)粗加工，但因?yàn)樯靶据^長(zhǎng)，燃燒室面通孔尺寸很難保證（缺陷比例5%），后續(xù)考慮增加粗加工。另外由于BB芯直接與金屬模具配合，配合面易產(chǎn)生油煙堆積，若油煙不及時(shí)清理，組芯不到位，易造成BB芯斷芯（5%），針對(duì)該問題，后續(xù)模具對(duì)應(yīng)位置設(shè)計(jì)抽真空通道，及時(shí)排煙。

4 結(jié)束語

（1）通過繪制魚骨圖，明確缺陷產(chǎn)生的根本原因有四個(gè)：①冒口砂芯與BB芯配合間隙小 ；②底框砂芯與BB芯配合間隙小；③BB砂芯轉(zhuǎn)運(yùn)和儲(chǔ)存方式不合理；④下芯夾具異常不能及時(shí)識(shí)別。其中“冒口砂芯與BB芯配合間隙小”問題影響最大，為主要原因，缺陷比例12.5%。

（2）從砂芯結(jié)構(gòu)優(yōu)化和過程控制方法優(yōu)化，兩個(gè)方向改進(jìn)了鑄造工藝：①優(yōu)化冒口砂芯與BB芯配合結(jié)構(gòu)（主要措施）；②優(yōu)化底框砂芯與BB芯配合結(jié)構(gòu)；③優(yōu)化BB芯轉(zhuǎn)運(yùn)和存儲(chǔ)方式；④優(yōu)化下芯夾具報(bào)警裝置等措施。

（3）有效解決了曲軸箱通風(fēng)道缺陷（斷芯）問題，缺陷比例由15%降低到0.2%以下，提高了鑄件質(zhì)量，降低了廢品率。

（4）探討了我公司三種缸蓋產(chǎn)品曲軸箱通風(fēng)道形成的3種鑄造工藝方式，認(rèn)為“冒口砂芯+BB芯+粗加工”的鑄造工藝方式值得后續(xù)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)參考。

本文作者：

任澤翔 于越 張守雙 唐志泉 劉卓霖 喻浩楠 栗金旗

一汽鑄造有限公司有色鑄造分公司

林柏楊
一汽鑄造有限公司鑄造模具設(shè)備廠

本文來自：鑄造雜志，《壓鑄周刊》戰(zhàn)略合作伙伴