当前位置: 技术 > 铝合金压铸
提高EA211压铸铝合金缸体轴瓦部位致密性的生产试验
发布时间:2020年03月31日 10:18





文 :一汽铸造有限公司  蹇超、唐志强、王少民、孙立凯


摘要 文章叙述了EA211缸体的压铸生产背景,生产验证了3种压铸工艺对轴瓦区域致密性的影响,确定了采用局部挤压工艺作为铝合金缸体的压铸工艺,描述了局部挤压工艺中3工艺个参数对轴瓦区域内部致密性的影响。

关键词  缸体,局部挤压,泄漏,挤压深度

引言

   汽车的轻量化,即在保证汽车的强度和安全性能的前提下,尽可能地降低汽车的整车质量,从而提高汽车的动力性,减少燃料消耗,降低排气污染。实验证明,汽车质量降低一半,燃料消耗也会降低将近一半。由于环保和节能的需要,汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。随着汽车工业的发展,铝合金压铸件的产量每年以13%的速度增长,其产量占75%以上。


   大众汽车(德语:Volkswagen)是一家总部位于德国沃尔夫斯堡的汽车制造公司,也是世界四大汽车生产商之一的大众集团的核心企业。EA211发动机是大众旗下新型汽车发动机,是以轻量化和节能环保为主要特点的铝合金发动机,同时也足款在四缸发动机上采用气缸关闭系统的发动机。EA211可以看作是EA111的升级产品,在技术上和EA111有许多差异,该产品在轻量化、提升功率、转矩指标以及节能减排等方面,均处于国际领先水平:①EA211发动机是中国第一款达到欧V标准并量产的发动机,EA111是国V标准;②EA211的TSI融合涡轮增压、缸内直喷等先进技术;③与4EA111比较,EA211采用全铝缸体,重量减轻22kg;④与EA111相比,EA211采用高性能正时齿形带,降低了成本和重量,减小了发动机噪声,但需要定期维护,增加了保养成本。


   EA211机的核心备件之一为EA211缸体6EA211缸体。化学成分为A1Si9Cu3,为典型的压铸铝合金,其外形尺寸为377mmX274mmX320mm,平均壁厚为6-10mm,其中瓦座位置壁厚超过平均壁厚约为10-15mm。铸件最终将在图1所示位置增加螺纹孔,以便于将瓦座固定在缸体上。瓦座区域如果存在缩松等内部质量问题,极有可能造成发动机泄漏、瓦座异响、瓦座脱落等严重影响问题。因此,瓦座区域内部质量之于EA211缸体整体质量和性能的重要性就不言而喻了。本文着重探讨EA211缸体轴瓦区域内部质量的改善。



1、试验过程

试验方案设定。试验原材料为A1Si9Cu3,压铸机型号为布勒270D。针对目前对于轴瓦区域的处理,主要有以下3个手段,即直接铸造成型,添加预铸孔,局部挤压功能。作者首先比较了3种情况下轴瓦区域的质量,然后对3种中质量较好的局部挤压进行系统研究,分别研究了延迟时间、持续时间及退出时间对轴瓦区域内部质量的影响,并得出了综合性的结论。局部挤压示意图如图2所示。


   试验1设置了3种试验方案,X光探伤试验结果见表1及图3。



 图3中可以看出,图3c的内部质量最好,整个区域未发现明显的缩松、缩孔;图3b中在增加的预铸孔周围,内部质量良好,这与所增加的型芯所形成的局部“冷铁效应”密切相关;图3a中,在轴瓦区域的下方区域,形成较为均匀的缩松,这与厚壁部位最后凝固的理论相符合。上述3种试验方案,在铸件加工完成后进行试漏,泄漏率越来越低,主要的原因在于:方案1中,在后续的机加螺纹孔后,促使内部缩松与机加孔之间形成微观上的连续通道,造成铸件的泄漏;方案2增加预铸孔后3泄漏率大幅度降低,主要原因是在预铸孔后,预铸孔周围0.5-1.5mm的范围内内部质量更加致密,且引起局部凝固方向的改变,某种程度上相当于减小了该厚壁区域的壁厚。图4是方案1、方案2、方案3对应的示意图,其中白色为预铸孔或机加孔,黄色为内部的缩孔(缩松在图中未示意出来,实际情况中缩松对泄漏的影响比单独的缩孔恶劣得多)。



   试验a局部挤压试验:

 一般认为局部挤压有利于改进轴瓦区域的内部质量。但是,从缸体压铸行业的时机应用角度来看,并非是在使用局部挤压后铸件相应区域的内部质量均有改善,主要的原因在于挤压参数对内部质量影响未能彻底搞清楚。试验a目的为明确挤压持续时间对质S的影响。

   


 对于试验a,先从挤压后深度的角度来判断局部挤压对该区域质量肋影响,主要依据在于当挤压后深度越深,该区域的内部质量越好,CT光下观察该区域存在的缩松、缩孔越少。如图5所示,在铝液重暈一定的情况下图5b密度更低,内部质量相对疏松。这与试验a的结果也是一致的。



图6是挤压销位置与挤压销深度的关系图,可以看出,对应同一组参数,挤压销位置1与位置5的深度较浅。主要的原因之一在于挤压油压在不同位置而略有分布不均。



 缸体局部挤压试验结果及分析讨论:

 图7(试验方案为a-6)为不同挤压销位置的CT扫描结果。图7a为位置1轴瓦区域CT扫描结果,缺陷K域最大尺寸为17.67mm;图7b为位置2轴瓦区域CT扫描结果,缺陷区域最大尺寸为1.80mm;图7c 为位置5轴瓦区域扫描CT 结果,缺陷区域最大尺寸为11.59mm。


   图8为位置1挤压销深度与挤压持续时间的关系,可以看出,随着挤压时间的减少,挤压销的深度降低。推测是因为在挤压过程中,铸件处于增压保持阶段,若挤压销持续作用时间变短,可能导致轴瓦局部区域向挤压销缩回方向收缩。表3是挤压时间与挤压销深度的关系表。由表中的a-5与a-6试验,可以看出:随着挤压时间的缩短,可能导致挤压结束后在增压作用下,铝液往挤压销与模具的间隙处溢出,即在缸体挤压销位置表现出溢铝现象。



图9是缸体在挤压后溢铝的图片。主要原因在于:当缸体在压力保持阶段,铝液未完全凝固期间,挤压销产生的挤压力回撤,导致表面已经固化的挤压销位置由于受增压产生的内力过大,而导致未凝固铝液冲开已经凝固的表层,形成凸状物。图示位置亦可以从另一方面说明,挤压销在a-1、a-2、a-3、a-4所反映出来的规律,即中间位置挤压销深度较深的另一原因。



   试验b——挤压延迟时间与缸体挤压销深度的关系:

   挤压延迟时间与缸体挤压销深度关系的试验结果见表4。



   图10是在试验b的试验条件下,挤压销深度与挤压销位置的关系图。可以看出,依然是挤压销的深度与挤压销的位置直接相关。同时,对于相同位置挤压销,随着挤压延迟时间变长,挤压销的深度变浅;当延迟时间>28时,延迟时间越长,挤压的深度越浅。主要的原因在于:金属液在靠近模具侧快速冷却后,由外表面向内表面固化。当延迟时间>88时,从内至外的固化层深度已达到一定厚度,此时对之进行局部挤压,先引起的可能不是铸件内部致密度的增加,而是表面固化层的变形,如图11所示。



试验C为考虑退出时间对挤压销深度的影响。从表5可以看出,退出时间对挤压销深度,即内部质量的影响不大。


2、结论

1)局部挤压能够明显改善铝合金缸体轴瓦部位的致密性,降低泄漏率。

2)—定范围内,挤压持续时间对挤压深度呈正相关,轴瓦区域致密性越好。

3)挤压延迟时间在>8s时,挤压深度下降明显,轴瓦区域内部致密性越差。

4)挤压退出时间对挤压销深度影响不明显,对内部致密性影响最小。