車用鋁合金零件（金屬支管）壓裝關鍵控制參數(shù)研究

楊欽豐　邵俊龍

摘 要：在汽車冷卻系統(tǒng)中，比如發(fā)動機缸蓋等鋁合金零件多采用旁通金屬支管結(jié)構，以便與（橡膠）冷卻管路進行連接，為了保證金屬支管壓裝質(zhì)量可靠性，采用理論分析和試驗研究相結(jié)合的方法，分析了材料、表面質(zhì)量、過盈量設計、密封膠等質(zhì)量控制關鍵因素，提出了以上參數(shù)的最優(yōu)控制參考范圍，并給出了金屬支管壓裝質(zhì)量檢驗方法建議，為采用類似結(jié)構的車用鋁合金零件的質(zhì)量控制提供了思路及經(jīng)驗。

關鍵詞：冷卻系統(tǒng) 鋁合金 金屬支管 關鍵因素 控制方法

1 問題背景

現(xiàn)今，在汽車發(fā)動機、新能源三電冷卻系統(tǒng)中，鋁合金零件經(jīng)常使用旁通金屬支管的結(jié)構，以便與橡膠冷卻管路進行連接。如發(fā)動機缸蓋，鋁合金進氣歧管，調(diào)溫器座，調(diào)溫器蓋，驅(qū)動電機等（如下圖1、圖2示）。

但旁通金屬支管結(jié)構漏水質(zhì)量問題在主機廠偶有發(fā)生，由于防凍液泄漏后肉眼明顯可見，容易引起客戶強烈抱怨。究其原因，目前對含金屬支管的鋁合金零件，其壓裝質(zhì)量的控制無相關標準和成熟經(jīng)驗可依，開發(fā)過程技術要求也不明確或者統(tǒng)一，導致零部件制造商在生產(chǎn)過程中控制偏差。

為規(guī)避后續(xù)同類質(zhì)量問題復發(fā)，現(xiàn)對含金屬支管的鋁合金零件進行壓裝工藝控制，并對相關關鍵參數(shù)進行分析、試驗驗證，為后續(xù)類似結(jié)構零件的設計、生產(chǎn)制造及質(zhì)量管控提供經(jīng)驗參考。

另外，尼龍材料一體注塑零件（支管與本體一體注塑）由于熱負荷承受能力或結(jié)構復雜程度限制，暫時無法完全替代鋁合金結(jié)構，故從零部件成型工藝方面，含旁通金屬支管的結(jié)構仍將大量使用于汽車（含新能源）冷卻系統(tǒng)中。

2 關鍵控制參數(shù)研究

2.1 金屬管選型

2.1.1 材料：根據(jù)零部件用途，可選擇以下兩種常見材料：

2.1.1.1 直縫電焊管（08#/10#鋼）：

常用規(guī)格：

2.1.2.1 冷拔無縫管（08#/10#鋼）：

常用規(guī)格：

金屬管壁厚、外徑、彎曲度、不圓度等尺寸或形狀公差，以及機械性能（屈服強度、抗拉強度、斷裂伸長率）等參數(shù)符合GB/T 13793-2016-直縫電焊鋼管[1]及GB/T 8162-2018-結(jié)構用無縫鋼管[2]。

另外，為保證金屬管質(zhì)量，生產(chǎn)廠家還需與供貨商約定金屬管熱處理狀態(tài)、金屬管的表面處理（鍍鋅、鍍鋅層厚度）、外觀質(zhì)量要求、來料包裝方式等信息。

2.2 關于管的硬度要求：

某主機廠調(diào)溫器座總成曾發(fā)生φ14金屬支管脫落，導致漏水質(zhì)量問題。究其主要原因：金屬管硬度偏低，壓入調(diào)溫器座本體后，金屬管管體變形大，導致其拉拔力偏低，在發(fā)動機高溫高壓冷卻液的沖擊下，金屬支管從調(diào)溫器座殼體中脫落。對該批次金屬管壓裝性能驗證如下表3所示：

供貨商改善金屬管熱處理工藝后，金屬管硬度恢復至初始交樣狀態(tài)，進行金屬管壓裝性能驗證如下表4所示：

根據(jù)以上摸底驗證，當管件各部位的平均硬度在35～45 HRB時，拉拔力最低僅有1.1KN，遠小于φ14管拉拔力≥3KN的技術要求。而當管件平均硬度在60HRB左右時，拉拔力100%符合技術要求。

同時，為規(guī)避管件壓入鋁制本體后，本體底孔各部位變形不一致，存在漏水隱患問題，管件上同一或不同部位硬度差值不應過大。綜上，管件各部位硬度及平均硬度初步推薦值在60±5 HRB。

2.3 管件尺寸、形狀公差的選取

管件壓裝部位外徑、壁厚、圓度等尺寸、形位公差必須符合圖紙要求（滿足過盈量同時保證過盈均勻），非壓裝部位壁厚、外徑應符合直縫電焊鋼管 或結(jié)構用無縫鋼管相關國標或與供貨商約定的技術要求進行控制。

3 底孔質(zhì)量選取

3.1 直徑：各個方向直徑嚴格符合圖紙技術要求（保證過盈量）；

3.2 粗糙度：Ra3.2；（建議采用帶冷卻的機加中心加工，避免底孔有明顯手感刀紋、劃傷等）

3.3 垂直度：為保證金屬管壓裝時水平壓入，避免金屬管外壁與底孔內(nèi)壁異常接觸后受力彎曲。應對底孔軸心線與定位基準的平行度及垂直度進行要求。

推薦參照GB/T 1184-1996-形狀和位置公差未注公差值[3]附錄B-B3進行位置公差的選取，或按位置公差未注公差要求中的H級執(zhí)行。

4 過盈量及壓裝深度的選取

通過對不同規(guī)格的金屬管產(chǎn)品的壓裝驗證，為保證零件密封性能、拉拔力等技術要求，推薦不同規(guī)格的金屬管與底孔配合尺寸（過盈量、壓裝深度）如下表5，供參考使用：

5 密封膠的選取

金屬管壓裝屬于圓柱面密封，為增大管件與零部件本體的連接強度，填充零部件間內(nèi)部空間并固化為一個牢固配合，應使用填充間隙能力強及高強度的厭氧型密封膠。

根據(jù)《樂泰產(chǎn)品選擇指南》，發(fā)動機運行工況參數(shù)及金屬管狀零件配合特性，可供選擇的密封膠有樂泰609、樂泰638等產(chǎn)品，相比而言，如樂泰638初固時間更短（5min），填充間隙更大（0.381mm），固化后抗剪切強度更高（25MPa），638還適用于動態(tài)負荷或周期性載荷工況下。

因此，優(yōu)先推薦使用樂泰638產(chǎn)品。工藝設備或人工涂膠皆可。

根據(jù)樂泰638產(chǎn)品介紹，當氣溫在5℃時，樂泰638厭氧膠固化時間較長，與剛制類零件接觸6h后才達到50%固化，而在氣溫為22℃時，其在0.5h后即可達到60%以上固化，如圖３所示。

*因此冬季使用638密封膠壓裝管件后，至少應間隔6h以上再進行泄檢，推薦24H以上完全固化，防止未固化密封膠沖出，保證零件密封性能。

6 金屬管的壓裝

傳統(tǒng)的金屬支管壓裝，均采用人工敲擊壓入，無有效定位或管件導向工裝，導致管件壓入過程，某些方向上受力不均，變形不一致，甚至歪斜、明顯彎曲，嵌件脫落及漏水風險大。

為保證壓裝質(zhì)量，應使用壓管機進行金屬管的壓裝，該設備能有效保證本體定位、管件導向，管件壓入過程受力均勻，且壓裝力可實時監(jiān)控，一旦異常即設備報警。

對于壓管設備（如圖4示）的要求，應保證管件與零件本體孔的對中程度，且壓裝過程工作臺跳動可控，避免管件壓入過程受力異常、變形等，導致后期泄漏。

7 拉拔力要求

關于金屬支管拉拔力要求，目前無國家推薦標準或汽車行業(yè)標準可參考。

通過對各種規(guī)格金屬支管零件進行拉拔力摸底驗證，推薦拉拔力要求如下表6：

注：（1）φ8金屬管，53組數(shù)據(jù)中37組拉拔力在1-2KN，占比70%；

（2）φ10金屬管，41組數(shù)據(jù)中有32組拉拔力在2-3KN，占比78%；

（3）φ12、φ14、φ16金屬管拉拔力在3KN以上的比例分別為85%、72%、99%；

8 氣密檢測要求

根據(jù)發(fā)動機熱式試驗、整車路試零公里信息及售后故障件分析，含金屬支管類壓裝零件存在水檢（泄檢壓力最大至0.5MPa）無法識別泄漏的現(xiàn)象，導致問題件流出到售后市場，影響整車市場口碑。

由于水檢存在誤判，微漏不易或無法發(fā)現(xiàn)泄漏的情況，后續(xù)新開發(fā)產(chǎn)品及目前主流產(chǎn)品推薦采用干式氣檢進行氣密性檢測（氣檢設備如圖5示）。

其一：目前發(fā)動機行業(yè)來看，缸體缸蓋等大型零部件均采用干式氣檢方式作為產(chǎn)品是否泄漏的評價手段，總體而言，方法是有效可靠的。

其二：干式氣檢檢測能以產(chǎn)品泄漏量或壓降的量化形式來判斷產(chǎn)品合格與否，不再依靠肉眼辨別，識別效率、正確率更高。

其三：干式氣檢是通過長時間的加壓并穩(wěn)定平衡后檢測，對于溫度和變形引起的誤差減少；另外，即使檢測壓力發(fā)生變動，由于零件內(nèi)腔與標準腔體共通，設備差壓傳感器仍能精確工作。

極限工況下，部分泄漏品干檢也不能有效識別，可通過熱水檢來判定識別（模擬發(fā)動機熱機工況水溫、如90℃），由于零件在熱水環(huán)境下各部分處于膨脹狀態(tài)，管件與底孔間隙被微觀放大，更有利于密封膠填充間隙缺陷的識別，因此此種方法為鋁合金（含金屬支管）產(chǎn)品泄檢的一種可靠方法。

參考文獻：

[1]GB/T 13793-2016，直縫電焊鋼管[S].

[2]GB/T 8162-2018，結(jié)構用無縫鋼管[S].

[3]GB/T 1184-1996，形狀和位置公差未注公差值[S].

[4]Robert L.Norton.，（黃平等（譯）），機械設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2016.