某款發(fā)動機(jī)缸體水套漏水問題改進(jìn)

陳麗霞 胡 廣 湯守哲 于建民 喬彥超

（寧波吉利羅佑發(fā)動機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波 315336）

引言

隨著汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，對發(fā)動機(jī)的生產(chǎn)要求更加苛刻，要求高強(qiáng)度、高可靠性，而且結(jié)構(gòu)要輕便[1-2]。

缸體是典型的薄壁高強(qiáng)度鑄件，材料普遍使用HT250，缸體鑄造缺陷導(dǎo)致泄漏是長期困擾發(fā)動機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的典型問題。泄漏不僅造成零件報廢，而且浪費(fèi)較大的人力及設(shè)備成本，故需要對鑄造問題制定有效措施來控制缸體的質(zhì)量。

1 問題描述

客戶車輛行駛過程中出現(xiàn)水溫過高，進(jìn)站檢查發(fā)現(xiàn)發(fā)動機(jī)缸體底部存在液體，進(jìn)一步確認(rèn)發(fā)現(xiàn)水套外壁存在漏點(diǎn)，如圖1 所示。

圖1 發(fā)動機(jī)缸體水套泄漏點(diǎn)

2 原因分析

2.1 缸體外觀確認(rèn)

缸體泄漏點(diǎn)附近無磕碰、撞擊等痕跡，說明缸體裝機(jī)后水套本體未受到外力沖擊，如圖2 所示。

圖2 缸體水套外觀檢查

2.2 探傷分析

使用高速噴丸對水套內(nèi)壁進(jìn)行清理，完成后使用氣槍對水套內(nèi)腔吹氣，使用手電觀察確保內(nèi)壁干凈，如圖3 所示，清除表面雜質(zhì)及防銹漆。

圖3 缸體水套內(nèi)壁清理

將缸體傾斜80°～90°，在缸體上下面水套內(nèi)壁使用滲透劑進(jìn)行噴灑，噴灑均勻約1～2 s，要全覆蓋，如圖4 所示，滲透時間為30 min。

圖4 缸體水套內(nèi)壁噴灑滲透劑

在缸體上下面水套外壁使用顯像劑進(jìn)行噴灑，如圖5 所示，噴灑均勻，要全覆蓋。12h 后觀察是否有紅色探傷夜?jié)B漏，水套外壁存在紅色探傷液滲出，如圖6 所示，說明缸體水套內(nèi)壁與外壁貫穿，導(dǎo)致冷卻液泄漏。

圖5 缸體水套外壁噴灑顯像劑

圖6 紅色探傷液滲出

通過顯影劑對缸體泄漏點(diǎn)進(jìn)行局部顯影滲透，發(fā)現(xiàn)缸體水套外壁存在明顯泄漏點(diǎn)，說明水套中的冷卻液通過此通道泄漏到缸體外側(cè)。

目視缺陷位置外觀無碰撞痕跡，內(nèi)壁有一細(xì)小缺陷，通過X 光探測，發(fā)現(xiàn)存在缺陷陰影如圖7 所示。

圖7 缺陷X 光探測

對故障部位進(jìn)行切割，發(fā)現(xiàn)缺陷貫通水套外壁，如圖8 所示。對相同故障的另一個缸體進(jìn)行分析，如圖9 所示，缺陷內(nèi)部顏色發(fā)暗，表面粗糙，初步判斷為砂渣孔。

圖8 故障部位切面

圖9 缺陷部位砂渣孔

對缺陷成分進(jìn)行電鏡分析，發(fā)現(xiàn)泄漏通道內(nèi)容物含有大量的C、O、Si、Fe 及少量的Na、S、K，說明存在大量氧化物符合砂渣孔的特征，如圖10、圖11所示。

圖10 砂渣孔顯微結(jié)構(gòu)

圖11 泄漏通道內(nèi)容物電鏡分析

對缸體水套剖切進(jìn)行壁厚確認(rèn)，壁厚實(shí)測為4.09 mm，如圖12 所示，滿足設(shè)計要求（壁厚要求3.5±0.7 mm）。

圖12 缸體水套壁厚確認(rèn)

2.3 模流分析

對氣缸體進(jìn)行模流分析，氣缸體毛坯澆排方案設(shè)計合理，但最后凝固不均勻，如圖13 所示。

圖13 氣缸體鑄造模流分析

針對MAGMA 模流分析，1#、2# 缸位置兩股鐵水匯集，如圖14 所示，此過程會導(dǎo)致鐵水對沖，產(chǎn)生紊流或卷氣，容易產(chǎn)生鑄造缺陷。并且澆鑄時間達(dá)8.6 s 時，缸體筒位置未完全充型，澆鑄時間長，鐵水在模具充型末端溫度降低，鐵水凝固前溫度低，導(dǎo)致缺陷產(chǎn)生。

圖14 MAGMA 模流分析

對工藝過程進(jìn)行排查發(fā)現(xiàn)兩個問題點(diǎn)：

1）砂芯轉(zhuǎn)運(yùn)工序

發(fā)現(xiàn)砂芯在吊裝轉(zhuǎn)運(yùn)過程中，工裝夾取位置為鐵水流入的主澆道。吊裝夾爪夾持主澆道口時，會存在主澆口部位損壞，導(dǎo)致澆道砂子脫落，表面浸涂層脫落，澆道表面強(qiáng)度隨之降低。在澆鑄時鐵水充型過程中，鐵水反復(fù)沖刷澆道，使砂子脫落，砂子進(jìn)入型腔中，在凝固末端凝固，形成砂渣孔，如圖15 所示。

圖15 凝固末端砂渣孔

2）浸涂烘干工序

排查浸涂后砂芯內(nèi)部的浸涂液體表干情況，將溫度傳感器內(nèi)置于水套內(nèi)部，按照正常的烘干作業(yè)進(jìn)行[3]。利用爐溫儀對水套內(nèi)部隨爐溫度檢測監(jiān)控，通過對水套內(nèi)部的溫度檢測來評價水套內(nèi)部液體是否完全表干凝固。爐溫儀的結(jié)果顯示，圖16 中T3黑色線條為水套內(nèi)部溫度監(jiān)控，整個烘干過程水套內(nèi)部溫度為150 ℃～185 ℃（烘干溫度要求160 ℃～220 ℃），最高溫度低于標(biāo)準(zhǔn)35 ℃，烘干溫度不滿足要求，水套內(nèi)部砂芯無法完全烘干。

圖16 水套內(nèi)部隨爐溫度檢測監(jiān)控

未烘干的砂芯在澆鑄過程中有兩個問題，一個是表面強(qiáng)度不足，在高溫鐵水沖刷過程中容易產(chǎn)生砂子脫落，造成砂眼的產(chǎn)生。另一個問題是未干燥砂芯的濕度較大，含水量多，在高溫澆鑄時會產(chǎn)生大量的水汽，造成澆鑄系統(tǒng)中發(fā)氣量大，凝固時會產(chǎn)生氣孔等缺陷，不利于澆鑄成型。

2.4 工藝分析

對現(xiàn)有的組裝-浸涂-烘干工藝進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)工藝為水套與主體芯現(xiàn)場組裝，組裝完成后整體進(jìn)行烘干。由于主體芯和水套組裝后平放在傳輸帶上進(jìn)行烘干，水套芯和主體芯內(nèi)部存在遮擋，有效烘干面積大大降低，烤箱熱量無法傳導(dǎo)，導(dǎo)致水套芯內(nèi)部烘干溫度低。烘干工序完成后，砂芯內(nèi)部未完全烘干，導(dǎo)致砂芯表面強(qiáng)度不足及發(fā)氣量大的問題，在澆鑄后會產(chǎn)生砂渣孔，如圖17 所示。

圖17 現(xiàn)有的組裝-浸涂-烘干工藝

砂渣孔產(chǎn)生原因小結(jié)如下：

1）鐵水充型時間長：長時間充型導(dǎo)致鐵水凝固溫度低，流動性差，造成鑄造不良；

2）轉(zhuǎn)運(yùn)抓取位置不合理：砂芯在吊裝過程中，工裝夾取位置損壞主澆道，充型過程中易形成不良。

3）工藝排布不合理：水套與主體芯先組裝再烘干，導(dǎo)致水套與缸筒交接處，溫度低，未完全烘干，水分超標(biāo)，發(fā)氣量大，砂芯表面強(qiáng)度低，產(chǎn)生砂渣孔。

3 整改對策

1）增大入水口直徑，由D35 mm 變?yōu)镈40 mm，如圖18 所示，加快鐵水充型速度，保證鐵水溫度以及流動性。

圖18 模具修改

入水口直徑增大后鐵水充型速度得以加快，經(jīng)過仿真分析確定鐵水在7.2 s 時已完成缸體充型如圖19 所示，鐵水平穩(wěn)充型速度增加，提高了1#、2#缸筒位置鐵水溫度。

圖19 改進(jìn)后模流充型時間分析

2）修改吊裝抓取位置，防止破壞主澆道。抓取澆道改為抓取前后端，如圖20 所示。

圖20 砂芯轉(zhuǎn)運(yùn)抓取位置改為前后端

3）水套芯和主體芯組裝烘干順序調(diào)整：先組裝再烘干更改為先烘干再組裝，如圖21 所示。

圖21 更改烘干組裝工藝流程

整改后產(chǎn)品8 個月內(nèi)無復(fù)發(fā)漏水問題，整改效果明顯。

4 結(jié)論

1）對鑄造產(chǎn)品的模具設(shè)計過程進(jìn)行分析，充分考慮影響因素，對充型速度、凝固時間及砂粒追蹤等方面進(jìn)行詳細(xì)分析，保證模具設(shè)計是最優(yōu)方案。

2）對工藝過程進(jìn)行詳細(xì)的評估并模擬實(shí)際生產(chǎn)，工藝過程是否存在損壞澆道的情況，對此類故障需要避免。

3）現(xiàn)場的工藝排布要合理，對工序前后排布進(jìn)行模擬分析，避免存在工序排布順序不合理導(dǎo)致砂芯損壞、無法烘干、組裝困難等問題。