某款发动机缸体水套漏水问题改进

陈丽霞 胡 广 汤守哲 于建民 乔彦超

（宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司 浙江 宁波 315336）

引言

随着汽车行业的迅速发展，对发动机的生产要求更加苛刻，要求高强度、高可靠性，而且结构要轻便[1-2]。

缸体是典型的薄壁高强度铸件，材料普遍使用HT250，缸体铸造缺陷导致泄漏是长期困扰发动机生产企业的典型问题。泄漏不仅造成零件报废，而且浪费较大的人力及设备成本，故需要对铸造问题制定有效措施来控制缸体的质量。

1 问题描述

客户车辆行驶过程中出现水温过高，进站检查发现发动机缸体底部存在液体，进一步确认发现水套外壁存在漏点，如图1 所示。

图1 发动机缸体水套泄漏点

2 原因分析

2.1 缸体外观确认

缸体泄漏点附近无磕碰、撞击等痕迹，说明缸体装机后水套本体未受到外力冲击，如图2 所示。

图2 缸体水套外观检查

2.2 探伤分析

使用高速喷丸对水套内壁进行清理，完成后使用气枪对水套内腔吹气，使用手电观察确保内壁干净，如图3 所示，清除表面杂质及防锈漆。

图3 缸体水套内壁清理

将缸体倾斜80°～90°，在缸体上下面水套内壁使用渗透剂进行喷洒，喷洒均匀约1～2 s，要全覆盖，如图4 所示，渗透时间为30 min。

图4 缸体水套内壁喷洒渗透剂

在缸体上下面水套外壁使用显像剂进行喷洒，如图5 所示，喷洒均匀，要全覆盖。12h 后观察是否有红色探伤夜渗漏，水套外壁存在红色探伤液渗出，如图6 所示，说明缸体水套内壁与外壁贯穿，导致冷却液泄漏。

图5 缸体水套外壁喷洒显像剂

图6 红色探伤液渗出

通过显影剂对缸体泄漏点进行局部显影渗透，发现缸体水套外壁存在明显泄漏点，说明水套中的冷却液通过此通道泄漏到缸体外侧。

目视缺陷位置外观无碰撞痕迹，内壁有一细小缺陷，通过X 光探测，发现存在缺陷阴影如图7 所示。

图7 缺陷X 光探测

对故障部位进行切割，发现缺陷贯通水套外壁，如图8 所示。对相同故障的另一个缸体进行分析，如图9 所示，缺陷内部颜色发暗，表面粗糙，初步判断为砂渣孔。

图8 故障部位切面

图9 缺陷部位砂渣孔

对缺陷成分进行电镜分析，发现泄漏通道内容物含有大量的C、O、Si、Fe 及少量的Na、S、K，说明存在大量氧化物符合砂渣孔的特征，如图10、图11所示。

图10 砂渣孔显微结构

图11 泄漏通道内容物电镜分析

对缸体水套剖切进行壁厚确认，壁厚实测为4.09 mm，如图12 所示，满足设计要求（壁厚要求3.5±0.7 mm）。

图12 缸体水套壁厚确认

2.3 模流分析

对气缸体进行模流分析，气缸体毛坯浇排方案设计合理，但最后凝固不均匀，如图13 所示。

图13 气缸体铸造模流分析

针对MAGMA 模流分析，1#、2# 缸位置两股铁水汇集，如图14 所示，此过程会导致铁水对冲，产生紊流或卷气，容易产生铸造缺陷。并且浇铸时间达8.6 s 时，缸体筒位置未完全充型，浇铸时间长，铁水在模具充型末端温度降低，铁水凝固前温度低，导致缺陷产生。

图14 MAGMA 模流分析

对工艺过程进行排查发现两个问题点：

1）砂芯转运工序

发现砂芯在吊装转运过程中，工装夹取位置为铁水流入的主浇道。吊装夹爪夹持主浇道口时，会存在主浇口部位损坏，导致浇道砂子脱落，表面浸涂层脱落，浇道表面强度随之降低。在浇铸时铁水充型过程中，铁水反复冲刷浇道，使砂子脱落，砂子进入型腔中，在凝固末端凝固，形成砂渣孔，如图15 所示。

图15 凝固末端砂渣孔

2）浸涂烘干工序

排查浸涂后砂芯内部的浸涂液体表干情况，将温度传感器内置于水套内部，按照正常的烘干作业进行[3]。利用炉温仪对水套内部随炉温度检测监控，通过对水套内部的温度检测来评价水套内部液体是否完全表干凝固。炉温仪的结果显示，图16 中T3黑色线条为水套内部温度监控，整个烘干过程水套内部温度为150 ℃～185 ℃（烘干温度要求160 ℃～220 ℃），最高温度低于标准35 ℃，烘干温度不满足要求，水套内部砂芯无法完全烘干。

图16 水套内部随炉温度检测监控

未烘干的砂芯在浇铸过程中有两个问题，一个是表面强度不足，在高温铁水冲刷过程中容易产生砂子脱落，造成砂眼的产生。另一个问题是未干燥砂芯的湿度较大，含水量多，在高温浇铸时会产生大量的水汽，造成浇铸系统中发气量大，凝固时会产生气孔等缺陷，不利于浇铸成型。

2.4 工艺分析

对现有的组装-浸涂-烘干工艺进行分析，发现现工艺为水套与主体芯现场组装，组装完成后整体进行烘干。由于主体芯和水套组装后平放在传输带上进行烘干，水套芯和主体芯内部存在遮挡，有效烘干面积大大降低，烤箱热量无法传导，导致水套芯内部烘干温度低。烘干工序完成后，砂芯内部未完全烘干，导致砂芯表面强度不足及发气量大的问题，在浇铸后会产生砂渣孔，如图17 所示。

图17 现有的组装-浸涂-烘干工艺

砂渣孔产生原因小结如下：

1）铁水充型时间长：长时间充型导致铁水凝固温度低，流动性差，造成铸造不良；

2）转运抓取位置不合理：砂芯在吊装过程中，工装夹取位置损坏主浇道，充型过程中易形成不良。

3）工艺排布不合理：水套与主体芯先组装再烘干，导致水套与缸筒交接处，温度低，未完全烘干，水分超标，发气量大，砂芯表面强度低，产生砂渣孔。

3 整改对策

1）增大入水口直径，由D35 mm 变为D40 mm，如图18 所示，加快铁水充型速度，保证铁水温度以及流动性。

图18 模具修改

入水口直径增大后铁水充型速度得以加快，经过仿真分析确定铁水在7.2 s 时已完成缸体充型如图19 所示，铁水平稳充型速度增加，提高了1#、2#缸筒位置铁水温度。

图19 改进后模流充型时间分析

2）修改吊装抓取位置，防止破坏主浇道。抓取浇道改为抓取前后端，如图20 所示。

图20 砂芯转运抓取位置改为前后端

3）水套芯和主体芯组装烘干顺序调整：先组装再烘干更改为先烘干再组装，如图21 所示。

图21 更改烘干组装工艺流程

整改后产品8 个月内无复发漏水问题，整改效果明显。

4 结论

1）对铸造产品的模具设计过程进行分析，充分考虑影响因素，对充型速度、凝固时间及砂粒追踪等方面进行详细分析，保证模具设计是最优方案。

2）对工艺过程进行详细的评估并模拟实际生产，工艺过程是否存在损坏浇道的情况，对此类故障需要避免。

3）现场的工艺排布要合理，对工序前后排布进行模拟分析，避免存在工序排布顺序不合理导致砂芯损坏、无法烘干、组装困难等问题。