原標(biāo)題：廣東鴻圖：缸體主軸承蓋壓鑄件鋁鐵分離原因分析及改善

發(fā)動(dòng)機(jī)缸體是構(gòu)成發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)中的基礎(chǔ)零件，缸體的主軸承蓋結(jié)構(gòu)承載著曲柄連桿機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動(dòng)所施加的交變載荷。為了保證有足夠的剛性和輕量化，主軸承蓋鑄件一般采用鋁合金壓鑄生產(chǎn)，在軸承部位鑲嵌軸瓦。傳統(tǒng)主軸承蓋功能設(shè)計(jì)時(shí)，加工軸瓦頂部半圓弧端面，裝配飛輪組即可。隨著汽車輕量化需求的發(fā)展，持續(xù)優(yōu)化功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，把包裹軸瓦的側(cè)邊部分鋁皮進(jìn)行加工去除，實(shí)現(xiàn)減重。由于鋁鐵兩種不同材質(zhì)的緊密結(jié)合，機(jī)加工后出現(xiàn)在加工結(jié)合面的鑲嵌結(jié)合處出現(xiàn)間隙分離現(xiàn)象（簡稱“鋁鐵分離”），本研究主要針對(duì)主軸承蓋鑄件的鋁鐵分離的原因展開分析并提出相應(yīng)解決方案，旨在為類似問題的解決提供參考。

圖文結(jié)果

圖1為主軸承蓋鑄件定模和動(dòng)模圖，其輪廓尺寸為295 mm×145 mm×85 mm，質(zhì)量為2.65 kg，鑄件材質(zhì)為ADC12合金，平均壁厚為3 mm。鑄件鑲嵌著4個(gè)軸瓦，每件軸瓦質(zhì)量為0.4 kg，尺寸為100 mm×53.5 mm×18 mm，軸瓦材質(zhì)為球墨鑄鐵。根據(jù)主軸承蓋鑄件使用特性要求，表面加工的鋁與鐵分離標(biāo)準(zhǔn)為：間隙≤0.2 mm。從圖1可以看出，主軸承蓋鑄件呈長方形，橫梁鑲嵌著4個(gè)軸瓦。前期試制階段，統(tǒng)計(jì)鑄件鋁鐵分離缺陷的不良率高達(dá)40%，最大間隙達(dá)到0.8 mm，見圖2。根據(jù)現(xiàn)場分析，鋁和鐵兩種不同性質(zhì)的物質(zhì)貼合受到多種因素影響，為此，如何提高鋁液與軸瓦貼合效果，擬從壓鑄工藝方面展開各項(xiàng)分析。

圖1 主軸承蓋鑄件的定模和動(dòng)模側(cè)宏觀形貌

圖2 主軸承蓋鑄件加工效果與間隙分離

主軸承蓋是鑲拼軸瓦一起鑄造成形，為了保證兩種不同材質(zhì)的東西緊密貼合，對(duì)模具溫度、軸瓦預(yù)熱溫度和鋁液溫度管理設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

澆道系統(tǒng)設(shè)計(jì)受到鑄件結(jié)構(gòu)空間限制，設(shè)計(jì)成雙側(cè)多條澆道布局方案。澆注鋁液充填經(jīng)過內(nèi)澆口時(shí)，直接沖擊到軸瓦，受到常溫軸瓦的影響和阻擋，使鋁液充填溫度快速下降，較低溫度填充到末端位置，易出現(xiàn)成形不良或冷隔，直接影響鋁液與軸瓦的貼合度。為了補(bǔ)償鋁液溫度的散失，鋁液澆注溫度從660 ℃提高到690 ℃，以保證鋁液的流動(dòng)性。

提高鋁液澆注溫度同時(shí)，提高模具溫度也非常重要。主軸承蓋鑄件設(shè)計(jì)8條充填澆道，由于流道長，流動(dòng)過程中散失部分熱量。同時(shí)，脫模劑噴涂在動(dòng)定模表面，蒸發(fā)帶走部分熱量，導(dǎo)致模具表面溫度快速下降，從而影響了鋁液充填效果。為了改善此問題，模具水冷改為模溫油冷卻。圖3為定模噴涂前后的模溫情況。模溫機(jī)溫度設(shè)定為230 ℃，保證脫模劑噴涂后，模具表面溫度快速回升，以減少熱量散失，增加鋁液與軸瓦的貼合度。

軸瓦由球墨鑄鐵砂型鑄造，常溫軸瓦表面與高溫澆注鋁液接觸后快速形成激冷層，隨著鋁液凝固收縮，極大的內(nèi)應(yīng)力促進(jìn)鋁鐵分離，形成間隙。為了緩解鋁液填充過程溫度快速下降，使用軸瓦預(yù)熱裝置，見圖4。該裝置包括定位塊、輸送推動(dòng)桿、加熱絲等。通過高頻加熱短時(shí)間內(nèi)將溫度升至230 ℃，然后由機(jī)器人夾取軸瓦放至定模定位針上，整個(gè)過程時(shí)間短、效率高，溫度散失少。

圖3 定模噴涂前后的模溫情況

圖4 軸瓦預(yù)熱裝置

圖5 定模軸瓦表面溫度一致

軸瓦屬于球墨鑄鐵砂型鑄造，易生銹，為了保證表面質(zhì)量，對(duì)其表面涂防銹油。對(duì)鑄件鋁鐵分離進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)油跡可能使鋁液與軸瓦表面貼合出現(xiàn)問題。鋁液填充型腔后，軸瓦表面防銹油被鋁液包裹后，受熱氣化后，排不出去，存在鋁皮與軸瓦間隙之間。當(dāng)鑄件鋁皮部分機(jī)加工后，軸瓦露出，氣體會(huì)沿著間隙通道逸出，形成間隙，造成鋁鐵分離。

為了驗(yàn)證油跡的影響，分別對(duì)軸瓦進(jìn)行拋丸和噴砂處理，分別與正常鑄件（不作任何表面處理）進(jìn)行對(duì)比。拋丸時(shí)間為5 min和10 min；噴砂時(shí)間為30 s和60 s結(jié)果見圖6。通過與正常鑄件（不作任何表面處理）進(jìn)行對(duì)比軸瓦分離間隙位置數(shù)量，見圖7。發(fā)現(xiàn)拋丸5 min和10 min的軸瓦與正常鑄件的分離間隙位置數(shù)量比較接近，說明軸瓦拋丸處理后的表面粗糙度不能改善鋁液與軸瓦表面貼合效果。噴砂30 s和60 s的軸瓦分離間隙位置數(shù)量比正常鑄件的略少，但改善不明顯。所以，軸瓦表面進(jìn)行拋丸和噴砂處理，增加表面粗糙度，不能大幅度提高與鋁液貼合效果，改善分離現(xiàn)象。

圖6 軸瓦拋丸與噴砂處理

圖7 軸瓦表面處理對(duì)鋁鐵分離影響

圖8 高速速度對(duì)鋁鐵分離影響

通過對(duì)鋁鐵分離間隙尺寸的占比統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)90%分離集中在軸瓦R轉(zhuǎn)角處。分析認(rèn)為，鑄件轉(zhuǎn)角處壁厚較薄，鋁液填充完成后凝固收縮，收縮冷卻過程中，與此位置的軸瓦接觸表面出現(xiàn)細(xì)微應(yīng)力分離， 同時(shí)鋁液填充在此角出現(xiàn)回旋打轉(zhuǎn)，易形成冷料。針對(duì)上面分析，提出修改軸瓦結(jié)構(gòu)，將轉(zhuǎn)角的過渡圓角R9改成R20進(jìn)行壓鑄試驗(yàn)，目的是提高鋁液流動(dòng)順暢和冷料會(huì)集。圖9和圖10分別為軸互加工狀態(tài)及改進(jìn)工藝后鋁鐵分離間隙統(tǒng)計(jì)。可以看出，24件鑄件過渡圓角R9和R20的分離間隙尺寸，尺寸<0.2 mm的占比分別為94.8%和97.9%，尺寸>0.2 mm分別為5.20%和2.10%，過渡圓角R20的數(shù)據(jù)略高一點(diǎn)，軸瓦過濾圓角結(jié)構(gòu)對(duì)分離間隙的影響不大。通過對(duì)主軸承蓋模具溫度、軸瓦溫度和壓鑄工藝參數(shù)的調(diào)整優(yōu)化，確認(rèn)了主要影響因素，使主軸承蓋鋁鐵分離問題得到根本性解決，主軸承蓋件大批量生產(chǎn)合格率達(dá)到99.5%。

圖9 軸瓦加工狀態(tài)

圖10 鋁鐵分離間隙尺寸占比統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

結(jié)論

（1）鋁和鐵兩種不同材質(zhì)結(jié)合一起，受本身固有收縮率影響大，容易造成鋁皮與軸瓦鑲嵌結(jié)合處表面分離，形成間隙。

（2）軸瓦結(jié)構(gòu)優(yōu)化和表面增加涂層，對(duì)鋁液與軸瓦貼合度略有提升，但改善效果不明顯。

（3）模具和軸瓦溫度提升和壓鑄工藝優(yōu)化，可以明顯改善鑄件鋁鐵分離的壓鑄缺陷。

《缸體主軸承蓋壓鑄件鋁鐵分離原因分析及改善》

朱宇

廣東鴻圖科技股份有限公司

本文轉(zhuǎn)載自：《特種鑄造及有色合金》雜志社