缸体铸件清洁度质量持续改善

刘五宝，利任泽，万修根

（江铃汽车股份有限公司铸造厂，江西 南昌 330001）

1 背 景

缸体内腔清洁度质量是汽车发动机的关键质量特性，直接影响发动机的使用性能与使用寿命。与之相关的常见缺陷是发动机拉缸、拉瓦、活塞磨损、连杆磨损、水道或油道堵塞，因此越来越受到重视，除需要控制内腔残余异物总量外，还要控制残余异物的颗粒度大小[1]，对于我厂来说，清洁度质量影响的因子有很多，如坭芯砂溃散性能、缸体保温时间、涂料的渗透深度、清理过程工艺等。

G501 汽油机缸体是我厂新开发的薄壁缸体，缸体平均壁厚3 mm，清洁度质量要求铸件内腔异物总量≤2.5 g，加工清洗后颗粒度≤2 000 μm.为了保证这一要求，需要对缸体油道进行喷丸处理，但因喷丸机喷嘴数量有限，对缸体水套只能靠抛丸来保证。开发初期，因击芯工艺、缸体水套结构及油漆工艺等原因，清洁度质量偶有超标情况发生，主要指缸体内腔异物（坭芯砂、批缝铁、钢丸、油漆等）清理不干净，内腔残余异物总量超标，缸体加工成成品后，对缸体进行清洁度检测发现缸体内有粉末颗粒度尺寸超差现象，质量过程能力为CPK1.03，而对于关键质量特性，CPK 值要求在1.67 以上，清洁度需要持续改善至1.6 g 之内。本文针对这些问题进行了一些摸索。

2 持续改善

2.1 击芯工艺改进

本厂使用的击芯机为L415 型，缸体用击芯架摆放好后，前后端使用击芯块振击缸体，动力源为压缩空气，使得缸体水套、油道内腔坭芯砂松散，然后脱落，如图1 所示。由于原生产的铸件相似度大，击芯机的击芯块振击缸体部位、振击时间、振击气压这些工艺参数等均相对固定可不调整，对于G501缸体薄壁件，既要保证缸体坭芯砂去除，还要保证击芯不损伤缸体，需要重新设计击芯块振击缸体部位、振击时间、振击气压这些工艺参数。

图1 L415 型击芯机进行缸体击芯

结合系列试验，最终通过设备改造增加一路气管、增加一套控制程序（见图2），来控制具体击芯关键参数，最终优化为击芯气压0.45 MPa～0.60 MPa，击芯时间为12 s～15 s，增加的程序专门击芯G501缸体薄壁件，缸体击芯架高度设计为402 mm.击芯后缸体水套及油道内腔坭芯砂去除95%以上，缸体损伤缺陷率为0.而改善前，缸体内腔芯砂残留问题与缸体损伤问题交叉出现。

2.2 抛丸工艺改进

我厂用的抛丸机是DV-2 机械手型抛丸机，机械手夹持缸体在抛丸室内旋转，抛丸室内布置4 个抛头，抛头的电机功率为4×45 kW，抛丸的材料是1.7#铸钢丸，单个缸体抛丸时间为60 s.

投产初期，出现缸体水套内坭芯砂抛丸不干净问题，经分析主要原因为：

1）G501 缸体不同于我厂一直以来生产的其他缸体，该缸体水套腔左右侧无出砂孔，仅水套顶面存在空腔比较窄的排砂通道（宽约为7 mm），并且水套腔很深，击芯时水套砂只是击散而未排出，严重影响后续的抛丸处理；

2）因抛头喷射距离和喷射角度难以掌握，必须通过试验来寻求最佳喷射位置和时间[2]。

通过试验调整摸索，采取如下措施：

1）调整抛丸启动角度为缸体顶面朝下，启动时，缸体边倒砂边抛丸，以保证缸体水套击打钢丸数量多；

2）调整抛丸旋转方式，将初期设计的钟摆式抛丸+旋转方式，调整为缸体一直旋转式抛丸，针对G501 缸体水套形状，增加水套部位倒砂及抛丸时间11 s；

3）调慢缸体旋转速度，由120°/s，调整为90°/s，以更好的倾倒缸体水道内的坭芯砂，以及保证更多的钢丸击打水套本体。

通过优化G501 缸体击芯、抛丸两道工序之后，缸体内腔清洁度（主要是坭芯砂）质量得到很大提升，通过统计数据分析，过程能力已达到CPK1.97，如图3 所示。

2.3 G501 缸体静电喷粉工艺改进

我厂缸体铸件表面采用静电喷粉（树脂粉末）工艺，缸体非喷涂部位采用挡板遮挡，使得粉末喷不到缸体水套、油道内腔。G501 缸体开发初期，缸体加工成成品后，对缸体进行清洁度检测，发现缸体内有粉末颗粒度尺寸超差现象（要求≤2 000 μm），实际测量为长2 519 μm×宽1587 μm，如图4所示。主要是由于铸件静电喷粉后，表面的粉末在加工后，粉末不易破碎，而是形成片状或者大颗粒状存在于缸体水套、油道内，因其有一定粘性不易冲洗去除，故此造成缸体清洁度超标问题。

2.3.1 试验方案

由于影响颗粒度的因素复杂且较多，为了较好地改善颗粒度问题，主要对电压、粉末厚度、固化温度、固化时间、粉末类别五个因子的两个水平进行DOE 实验，具体试验方案与试验结果见表1.

表1 G501 缸体静电喷粉工艺试验设计及颗粒度结果

2.3.2 试验结果分析

通过试验数据进行Minitab 分析可得出如图5所示的结果，即树脂粉末原材料成分、缸体表面粉末厚度尺寸、粉末固化温度这三者为显著因子。

图5 体表面粉末颗粒度影响因子图示

另外，要控制好粉末颗粒度达标，即缸体表面粉末颗粒度在1 002 μm 左右，从图6 结果得知，三个显著因子应控制为：缸体表面粉末厚度70 μm；固化温度260 ℃；粉末原材料使用HF20JL 型号粉末。

图6 体表面粉末颗粒度优化工艺数据

2.3.3 应用结果

在后续批量生产过程中，选用HF20JL 型号粉末原材料，缸体表面粉末厚度控制在50 μm～80 μm，固化温度设定区间240 ℃～265 ℃，进行大批量生产，缸体进行加工后，表面粉末颗粒度全数合格，在600 μm～1 105 μm 范围内。

3 结束语

通过从击芯、抛丸、静电喷粉三个关键工艺过程入手，对设备、工装、过程工艺参数、原辅材料等几个方面进行工艺优化，G501 缸体的清洁度质量得到了改善，并取得显著效果，积累了一些经验，本文旨在总结改善过程，为后续改进提供参考。