摘要：針對汽車發動機趨向輕量化，集成化的發展趨勢，著重闡述一種新型油底殼的壓鑄要點。從壓鑄設計技術要點上拆分為3個零件，采用不同的進澆方式和新技術等設計產品；從壓鑄過程控制要點上監控生產過程中影響產品質量的每個因子，以降低產品缺陷率。通過這兩方面控制，使產品合格率達97%以上，實現批量化穩定生產。

隨著汽車工業的迅速發展，對零件的材料、設計和制造提出了更高的要求，高集成、高性能、低成本成為發展的趨勢。油底殼和下缸體都是汽車發動機的重要零鑄件，通過將下缸體平衡軸與油底殼收集過濾功能集成在同一零件上，有效地降低了發動機的自重和體積。但是，由于結構復雜，壁厚變化大，還需要拆分為不同的產品單獨加工后再組合加工，導致產品制造困難。

本課題研究的一款發動機集成油底殼，包含3個鑄件：油底殼本體、平衡軸瓦蓋和單個平衡軸瓦蓋。采用A380改性合金材料，鑄件平均壁厚為3 mm，最小壁厚為2.5 mm，毛坯質量為10.74 kg，要求內腔在300 kPa下無泄漏，油道在600 kPa和溫度超過60 ℃下無泄漏，應用于1.5T的發動機，年產量40萬件，是典型復雜油底殼鑄件。

1、壓鑄設計技術要點

1.1 澆道設計

鑄件1采用三面進澆的設計，但著重于一邊的整體進澆，見圖1。由于產品較長（上下長度達到437.2 mm），三面進澆設計可以有效地緩解流程長的問題，從而對產品進行分區域填充。但考慮到產品整體壁厚較厚，而且進澆位置存在很多凸起的鑲件，為避免鋁液流動性受阻，又加強一側的填充，并且整體逐步收窄截面積，做鋁液加速流動的設計澆道。

圖1：鑄件1澆道

鑄件2為平衡軸瓦蓋，造型相對簡單，只有中間兩路平衡軸油槽壁厚較厚。基于鋁液流態簡單，為了節約成本，提高鋁液有效產出率，采取單邊進澆方案，并且進澆口就布在壁厚區域，以便進行補縮，見圖2。

圖2：鑄件2澆道

鑄件3為單個平衡軸瓦蓋，零件較小（尺寸為63 mm×15 mm×25 mm），采用1腔8模的設計，進行填充進澆，見圖3。

圖3：鑄件3澆道

1.2 排氣方式

對于復雜鑄件1，采用高真空進行排氣。鑄件2，采取普通“搓衣板”式排氣塊。鑄件3則直接采取渣包和渣包尾部模仁排氣通道。這里著重闡述鑄件1的排氣技術要點。

由于鑄件的高壓油道和機油濾清器等均集中于水尾，因此水尾的排氣效果是決定這些位置內部質量的關鍵因素。鑄件1采用高真空排氣，是為了減少鑄件水尾負壓區的氣壓。首先，真空罐的容積必須選擇≥800 L（此處的800 L是模具包含型腔和料槽的體積的10倍以上），才能快速形成負壓通道。其次，連接模具和真空機的管路，必須保證密封不漏氣，管路真空度保持在2 000Pa以內。第三，模具使用密封膠條密封，所有頂針和型芯針都涂抹密封膠，模具合模之后，型腔真空度需保持在4 000 Pa以內。最后，選擇密封沖頭生產最佳，或采用加長版沖頭進行生產，以增加沖頭部位的密封面積，有效緩解漏氣進入型腔。

1.3 模具溫度

由于高真空的特性，鋁液不完全按照理論流態充填(見圖4)，鋁液被吸入容易快速凝固在某些地方，造成壓鑄氣孔、縮孔、裂紋等壓鑄缺陷。此鑄件1的產品在沖頭運行至410 mm位置開始抽真空（鋁液充滿度達到70%的要求），在540 mm位置關閉抽真空（在高速起點前最少空出大于300 ms的關閥安全時間），抽真空行程為130 mm，時間為0.874 s。在如此短的時間內，必須保證被抽入的鋁液不會提前凝固在水尾重要位置。因此，這些位置的模溫，均使用油溫機分別控制在220 ℃和180 ℃。模溫升高，鋁液流動性加強是保證這兩處重要位置內部質量的關鍵。

鑄件2和鑄件3由于結構比較簡單，填充距離短，成型較為容易，對于模具溫度的要求不高，只要模具表面溫度高，產品不發黑就可以。

圖4：高真空填充試驗

1.4 模具的冷卻選擇

此鑄件1，使用了超點冷工藝和間歇式供水工藝。由于該鑄件生產需要保持較高的溫度，而且動模側有較多鑲件凸臺，既要保證高溫，又需要保證凸起的鑲件不至于形成熱節，造成收縮開裂等缺陷，就必須針對每個鑲件進行切割處理，并將點冷卻打入鑲件內部。同步外圍設備使用間歇式供水方式，在產品凝固階段，打開電磁閥，針對產品局部進行冷卻。這樣既獲得較高的溫度，又獲得很好的冷卻效果。超點冷工藝是針對壓鑄型芯針設計的，見圖1中箭頭所指位置。在壁厚區域中間出4 mm的針，會直接導致縮孔產生。針對4 mm針使用超點冷設計，能夠解決該螺紋孔的氣孔問題。同樣在其他交叉熱節部位，能出針的位置均使用超點冷針設計，很大程度上緩解了燒傷、氣孔、，斷針的問題。超點冷和間歇式供水的時間設定，需要考慮到材質打孔的壁厚，和其所處的位置。所以針對這些不同區域的點冷針都需要進行分區控制。

鑄件2只有平衡軸中間的4 mm油槽孔和入料口Φ8 mm的螺栓光孔，使用超點冷控制。因為鋁液沖刷過后，會在中間壁厚區域之間形成疏松通道，必須使用超點冷針強行增加針孔周邊的致密層，設定延時1 s，冷卻10 s。鑄件3的16支Φ8 mm小針均使用超點冷控制，保持針孔附近的致密層厚度。

1.5 局部擠壓技術的選擇

局部擠壓銷能夠快速解決壁厚區域的縮孔，在壓鑄領域應用廣泛。模流熱節分析見圖5，鑄件1的熱節點較多，需要合理布置擠壓銷的位置。首先排除可以使用點冷針消除的熱節點，其次排除不在關鍵位置的熱節點，最后需要考慮擠壓銷油缸在模具內部空間的排布，一般布置在結構復雜，需要杜絕漏氣的位置點上。基于以上設計原則，鑄件1的擠壓銷位置見圖6，鑄件2的擠壓銷位置見圖7。

圖5：鑄件1熱節

圖6：鑄件1擠壓銷

圖7：鑄件2擠壓銷

1.6 壓鑄基礎工藝參數的設定

鑄件1生產所采用的壓鑄機部分參數見表1。

表1：鑄件1部分壓鑄機參數設定

2、壓鑄過程控制要點

2.1 壓鑄過程中噴霧流量的控制

壓鑄過程中噴霧流量通過動、定模分開檢測，動模控制在3 200 mL，定模控制在2 200 mL。并且分開給動、定模流量設定上下偏差值，由于選用的電磁流量計精度為50 mL，設定偏差為±200 mL，200mL是減少1支噴槍后的實測值。生產過程中，如超出偏差值，將會直接輸出報警信號，停止壓鑄生產循壞。因此，可以有效預防由于噴槍堵塞造成的噴涂不到位，從而引起粘模與燒傷。

2.2 鋁液溫度的過程控制

由于使用保溫爐的保溫效果好，但升溫速度相對定量爐較慢，所以對于鋁液的來料溫度需要進行控制。選擇鋁液澆注溫度為675±10℃，因此鋁液在運輸澆包中的來料溫度，必須保持在700 ℃以上。低于此溫度加料，會影響鋁液在填充過程中的流態，造成局部位置氣孔比例上升。高于730 ℃加料會導致模具表面燒損粘鋁嚴重，影響鑄件的外觀質量。針對保溫爐設定鋁液溫度報警，澆注溫度如不在范圍內，保溫爐報警，并停止壓鑄生產循環，可以有效預防因鋁液溫度偏差產生的缺陷。

2.3 真空度控制

由于鑄件1模具采用動定模密封膠條密封，所有頂針及型芯針都采用涂抹密封膠來密封，料槽也使用整體料槽，但沖頭未使用專用的密封沖頭，而改用加長版沖頭（加長至150 mm）。在如此密封情況下，真空度設定超過4 kPa就報警（4 kPa是根據產品生產過程中能保持較高合格率而設定的一個經驗報警值），一般做到真空度2. 3k Pa附近。清潔度和堵塞值，一般都接近101 kPa，設定報警值是9 0 kPa（90 kPa是根據廠內過濾罐的清潔周期來設定的）。一個清潔周期的末期，真空閥過濾罐要及時清理，不清理會影響抽真空效果。真空罐設定值是1 kPa，一般都在2.2~400 Pa之間。只要超出要求值就會報警，使壓鑄機停機。

2.4 壓射實際參數的監控

壓鑄機采用國產宇部1650T機型，除了有自帶的壓鑄機參數控制系統外，還使用了二維碼追溯系統（廠內稱為MES系統），連接壓鑄機和周邊輔助設備，使得MES系統可以實時讀取每一模的生產參數，并反饋給云端，在云端進行比對（云端比對值是提前按要求輸入云端，并按照不同參數實際達成情況輸出不同的范圍值，比如慢速就是±0.05 m/s，高速就是±3 m/s等，見表2），比對后超出區間的產品，會被系統鎖定，判定為不合格。云端大數據還會定期根據更新的數據量計算產品的報廢與參數的變化之間的實時關系。找出一段時間內引起廢品率波動的原因，提高了保持產品合格率，壓鑄生產過程中有波動，可以快速排查找出問題點，有效促進現場良性循環。

表2：鑄件1部分云端參數對比值

2.5 壓鑄運水的控制

在運水始端每一條都使用電磁閥控制直冷或普通點冷運水的時間，運水壓力0.4 MPa，運水溫度為30℃的純水。除了料槽、料套、沖頭、分流錐和料套強冷板是常開直冷外，其余所有直冷（隔水片），大點冷都是電磁閥控制，延時3 s，冷卻15 s，用以保證模具溫度。所有出針，從Φ4 mm到Φ14 mm（中心管從Φ1.5 mm到Φ5.5 mm）都采用超點冷控制，超點冷運水壓力為10 MPa，運水溫度為10 ℃（此處溫度不能設置過低，過低會帶走較多熱量，但是會易造成斷針），每組超點冷同等大小的針不超過8根（超過8根就超過直徑G1/2連接管道的直徑），所有針結合起來共計6組，除了Φ4 mm的點冷針均設置延時5 s，冷卻13 s，Φ4 mm的點冷針設置延時4 s，冷卻13 s，用以針對模具溫度場中需要快速降溫的區域降溫，減少熱節的產生。既保證模具溫度的平衡保溫，又能夠針對性消除局部熱節，保證產品質量。

3、新型多功能油底殼的質量情況

三款產品分為兩臺不同機臺生產，日產出按鑄件1到鑄件3分別高達980件/天，1500件/天，1.2萬件/天。三款產品直到最終的整體組裝，廠內綜合合格率高達97%以上。圖8是鑄件1、2的外觀和鑄件1、2、3的內部質量圖片。

圖8：鑄件外觀

4、結論

(1)該款新型油底殼的設計技術要點是3種不同的進澆、排氣方式下，靈活運用真空，點冷，擠壓、模溫平衡等的工藝，最終加工后組合成1個零件。

(2)壓鑄控制要點是不斷深挖影響產品質量不穩定的因子進行監控，從而達到生產過程穩定。

(3)在通過了前期方案設計和技術要點的識別分析后，采用趨于自動化監控的過程控制，使得質量情況達到高于97%的合格率。

作者：
褚鋒 李景華 曹陽陽 張維 于進寶
廣東鴻圖南通壓鑄有限公司

本文來自：《特種鑄造及有色合金》雜志2020年第40卷第09期