原標題：鋁合金氣缸蓋和曲軸箱通風道缺陷分析及工藝優化
摘要
針對重力澆注鋁合金缸蓋曲軸箱通風道缺陷（斷芯），採用魚骨圖分析法對缺陷的形成原因進行了分析，對鑄造工藝進行了分析和優化。通過優化調整曲軸箱通風道砂芯（Blowby砂芯）與底框砂芯、冒口砂芯的結構以調整砂芯間配合間隙，並通過增加工位器具和增加下芯夾具報警裝置等措施，經過生產驗證確定了最終鑄造工藝方法。消除了曲軸箱通風道缺陷（斷芯），提高了鑄件質量，降低了廢品率。
曲軸箱強制通風系統PCV（Positive Crankcase Ventilation）是目前在發動機上廣泛應用的一項技術，它可以防止曲軸箱壓力過高，延長機油使用壽命，減少零件磨損和腐蝕，防止發動機漏油等。完整的PCV包括通風腔、油氣分離系統、曲軸箱壓力控制系統、回油腔及呼吸管五個部分。如圖1所示，“通風腔”由缸蓋、缸體及曲軸箱中的通道組成，發動機做功過程形成的竄氣通過通風腔導入油氣分離系統。
圖1 曲軸箱通風腔
砂芯是指芯盒內用芯砂制成的型芯，其功能是形成鑄件的內腔、成形孔及鑄件外形不能起模的部位。
氣缸蓋中的曲軸箱通風道結構復雜，由Blowby砂芯形成，在批量生產狀態下，Blowby砂芯易斷裂，造成曲軸箱通風道缺陷（斷芯）。
以我公司某氣缸蓋爲例，鑄件如圖2所示，最小壁厚4 mm，本文旨在通過魚骨分析法的應用，找到缺陷原因，並通過砂芯結構優化和過程檢測方法優化等措施，大幅降低缺陷發生比例，降低產品綜合廢品率。同時，對已有的三種形成氣缸蓋和曲軸箱通風道的鑄造工藝方式進行對比，探討優劣勢。
圖2 鑄件
1 鑄造工藝簡介
該鑄件採用傾轉澆注工藝金屬型鑄造，鋁液成分：AlSi10Mg（Cu），具體成分參照DIN EN 1707。鑄件內部復雜型腔由砂芯組合形成，砂芯組合情況如圖3所示，分爲上芯組、下芯組和Blowby砂芯（以下簡稱爲BB芯）。鑄造工藝如圖4所示，鋁液使用旋轉除氣機精煉除氣，砂芯使用無機制芯機制做。如圖5所示，砂芯通過人工操作的方式在組芯胎具上組合，先放置下芯組，再放置BB芯，最後放置上芯組。
圖3 砂芯
圖4 制造工藝
圖5 組芯過程
BB芯與上芯組和下芯組分別有一處定位（圖6），組合好的砂芯經下芯機器人取芯和轉運後，平穩地放置於固定在傾轉澆注機上的金屬模具中。
圖6 砂芯定位
鋁液通過搭載在澆注機器人上的澆勺舀取和轉運後，澆注到澆口盆中，最後通過設備傾轉，鋁液由進氣側進入模具型腔，完成澆注（圖7）。澆注溫度爲715~735 ℃，傾轉澆注時間10~14 s，傾轉角度100°。
圖7 澆注過程
2 缺陷分析與工藝優化
2.1 缺陷問題描述
採用上述制造工藝批量生產，如圖8所示，毛坯發現較大比例的BB芯斷芯情況，斷芯較嚴重的鑄件甚至造成泄漏，缺陷比例15%。
圖8 曲軸箱通風道缺陷（BB芯斷芯）
2.2 繪制缺陷產生原因魚骨圖
魚骨分析法，即因果分析法，通過構建魚骨圖分析問題的根本原因，廣泛用於技術和管理領域。
從人、機、料、法、環和測六個方面分析BB芯斷芯缺陷的原因，如圖9所示，繪制成魚骨圖，通過魚骨圖可以理清問題發生的根本原因，對後續的措施制定提供便利。通過現場驗證需要優化以下4個方面：優化冒口砂芯與BB芯配合結構；優化底框砂芯與BB芯配合結構；優化BB芯轉運和存儲方式；優化下芯夾具報警裝置。
圖9 BB芯斷芯原因分析魚骨圖
2.3 冒口砂芯與 BB 砂芯配合結構優化
BB芯與冒口砂芯頂端配合情況如圖10所示，通過冒口砂芯形成的凹槽對BB砂芯頂端進行定位，生產過程中發現，該配合間隙較小（單邊0.2 mm），稍有波動就會發生斷芯。
圖10 BB芯、冒口砂芯結構及優化方案
方案一：取消冒口限位結構，解決BB芯與冒口砂芯配合間隙小問題。生產驗證過程中，BB芯斷芯得到明顯解決，缺陷比例0.1%以下，但受傾轉工藝影響，只通過與底框砂芯和金屬模的定位，無法保證澆注過程BB芯的位置度，發生25%以上的位置偏移情況（如圖11所示），尺寸超差風險明顯提高。
圖11 BB芯位置度超差
方案二：配合位置增加倒角（3°），減小配合過程剮蹭。生產過程中，無明顯改善。
方案三：結合傾轉工藝，BB芯只向傾轉一側偏移（進氣側），在方案二更改的基礎上，優化BB芯芯頭結構，取消排氣側砂芯配合。生產驗證過程中，斷芯比例由15%降低到2.5%，有效解決因冒口砂芯與BB芯幹涉造成的斷芯情況。
2.4 底框砂芯與 BB 砂芯配合結構優化
受結構限制，在芯盒設計時，如圖12和圖13所示， BB芯與底框砂芯定位的定位面存在分型面，砂芯連續生產過程中，存在微量錯箱、漲箱的情況（0.1~0.3 mm），直接造成BB砂芯下不到位的情況。圖12 BB芯與底框芯配合情況
鑄造工藝設計時，BB芯與底框砂芯配合位置的對應倒角尺寸一致，圓角尺寸3 mm（圖13）。通過現場試驗，將BB芯圓角尺寸調整爲4 mm，有效解決了砂芯下不到位問題，斷芯比例由2.5%降低到1.8%。
圖13 BB芯與底框芯倒角尺寸
2.5 BB 芯轉運、儲存方式優化
原有的生產方式，BB芯通過芯車進行轉運和儲存，水平擺放在芯車上，轉運過程可見明顯抖動，偶發可見斷裂砂芯。通過設計BB芯工位器具，增加隔斷固定並將BB芯統一儲存，統一轉運，斷芯比例由1.8%降低到1.4%。
2.6 下芯夾具報警裝置優化
在生產過程中，冒口砂芯質量大，下芯夾具發生微小異常時，如氣撐漏氣、氣壓波動和氣撐柱脫扣等問題，易發生冒口砂芯微小下沉的情況。當下沉量超過2 mm時，會擠壓BB芯，造成斷裂。如圖14①所示，正常工作狀態下，冒口砂芯水平，報警指示燈顯示綠色。如圖14②所示，當冒口砂芯下沉量超過1 mm時，紅外檢測裝置檢測異常，紅色報警燈閃爍，及時反饋生產人員，能有效避免BB芯斷裂發生，斷芯比例由1.4%降低到0.2%以內。
圖14 下芯夾具報警裝置
2.7 生產驗證
通過砂芯結構優化和過程控制方法優化，改進了鑄造工藝，有效解決了BB芯斷芯問題，斷芯比例由15%降低到0.2%以內。
3 曲軸箱通風道的3種鑄造工藝方式對比
如圖15所示，現有的曲軸箱通風道的形成有3種鑄造工藝方式：冒口砂芯+BB芯+底框砂芯；冒口砂芯+BB芯+粗加工；冒口砂芯+BB砂芯。
圖15 曲軸箱通風道鑄造工藝
3.1 冒口砂芯+BB芯+底框砂芯
本文討論的情況，BB芯與冒口砂芯和底框砂芯兩種砂芯同時進行定位，對生產過程要求高，易發生BB芯斷芯缺陷。優勢是不需要線下打膠組芯工序，節省人員，工藝優化後組芯操作簡單。
3.2 冒口砂芯+BB芯+粗加工
如圖16所示，該缸蓋產品曲軸箱通風孔通道罩蓋面通孔由BB芯形成，燃燒室面通孔由粗加工形成，無BB芯斷芯缺陷，但組芯打膠工序存在0.1%以下的砂芯組不到位情況。
圖16 鑄造工藝及實物照片
優勢：BB芯與冒口砂芯定位，通過制作適當的胎具，保證尺寸精度；隨着缸蓋的更新換代，對曲軸箱通風道的尺寸要求越來越高，通過粗加工將通道加工通，尺寸精度高。
劣勢：需要線下組芯打膠工序，工藝流程長；需要增加粗加工工序，影響加工節拍。
3.3 冒口砂芯+BB芯
如圖17所示，該缸蓋產品曲軸箱通風道罩蓋面通孔由BB芯形成，BB芯與冒口砂芯單點定位。
圖17 砂芯工藝
該產品正在開發階段，減少了BB芯與底框砂芯的定位，原設計不考慮後續粗加工，但因爲砂芯較長，燃燒室面通孔尺寸很難保證（缺陷比例5%），後續考慮增加粗加工。另外由於BB芯直接與金屬模具配合，配合面易產生油煙堆積，若油煙不及時清理，組芯不到位，易造成BB芯斷芯（5%），針對該問題，後續模具對應位置設計抽真空通道，及時排煙。
4 結束語
（1）通過繪制魚骨圖，明確缺陷產生的根本原因有四個：①冒口砂芯與BB芯配合間隙小 ；②底框砂芯與BB芯配合間隙小；③BB砂芯轉運和儲存方式不合理；④下芯夾具異常不能及時識別。其中“冒口砂芯與BB芯配合間隙小”問題影響最大，爲主要原因，缺陷比例12.5%。
（2）從砂芯結構優化和過程控制方法優化，兩個方向改進了鑄造工藝：①優化冒口砂芯與BB芯配合結構（主要措施）；②優化底框砂芯與BB芯配合結構；③優化BB芯轉運和存儲方式；④優化下芯夾具報警裝置等措施。
（3）有效解決了曲軸箱通風道缺陷（斷芯）問題，缺陷比例由15%降低到0.2%以下，提高了鑄件質量，降低了廢品率。
（4）探討了我公司三種缸蓋產品曲軸箱通風道形成的3種鑄造工藝方式，認爲“冒口砂芯+BB芯+粗加工”的鑄造工藝方式值得後續新產品設計參考。
本文作者：
任澤翔 於越 張守雙 唐志泉 劉卓霖 喻浩楠 慄金旗
一汽鑄造有限公司有色鑄造分公司
林柏楊一汽鑄造有限公司鑄造模具設備廠
本文來自：鑄造雜志，《壓鑄周刊》戰略合作夥伴
