原标题：铝合金气缸盖和曲轴箱通风道缺陷分析及工艺优化

摘要

针对重力浇注铝合金缸盖曲轴箱通风道缺陷（断芯），采用鱼骨图分析法对缺陷的形成原因进行了分析，对铸造工艺进行了分析和优化。通过优化调整曲轴箱通风道砂芯（Blowby砂芯）与底框砂芯、冒口砂芯的结构以调整砂芯间配合间隙，并通过增加工位器具和增加下芯夹具报警装置等措施，经过生产验证确定了最终铸造工艺方法。消除了曲轴箱通风道缺陷（断芯），提高了铸件质量，降低了废品率。

曲轴箱强制通风系统PCV（Positive Crankcase Ventilation）是目前在发动机上广泛应用的一项技术，它可以防止曲轴箱压力过高，延长机油使用寿命，减少零件磨损和腐蚀，防止发动机漏油等。完整的PCV包括通风腔、油气分离系统、曲轴箱压力控制系统、回油腔及呼吸管五个部分。如图1所示，“通风腔”由缸盖、缸体及曲轴箱中的通道组成，发动机做功过程形成的窜气通过通风腔导入油气分离系统。

图1 曲轴箱通风腔

砂芯是指芯盒内用芯砂制成的型芯，其功能是形成铸件的内腔、成形孔及铸件外形不能起模的部位。

气缸盖中的曲轴箱通风道结构复杂，由Blowby砂芯形成，在批量生产状态下，Blowby砂芯易断裂，造成曲轴箱通风道缺陷（断芯）。

以我公司某气缸盖为例，铸件如图2所示，最小壁厚4 mm，本文旨在通过鱼骨分析法的应用，找到缺陷原因，并通过砂芯结构优化和过程检测方法优化等措施，大幅降低缺陷发生比例，降低产品综合废品率。同时，对已有的三种形成气缸盖和曲轴箱通风道的铸造工艺方式进行对比，探讨优劣势。

图2 铸件

1 铸造工艺简介

该铸件采用倾转浇注工艺金属型铸造，铝液成分：AlSi10Mg（Cu），具体成分参照DIN EN 1707。铸件内部复杂型腔由砂芯组合形成，砂芯组合情况如图3所示，分为上芯组、下芯组和Blowby砂芯（以下简称为BB芯）。铸造工艺如图4所示，铝液使用旋转除气机精炼除气，砂芯使用无机制芯机制做。如图5所示，砂芯通过人工操作的方式在组芯胎具上组合，先放置下芯组，再放置BB芯，最后放置上芯组。

图3 砂芯

图4 制造工艺

图5 组芯过程

BB芯与上芯组和下芯组分别有一处定位（图6），组合好的砂芯经下芯机器人取芯和转运后，平稳地放置于固定在倾转浇注机上的金属模具中。

图6 砂芯定位

铝液通过搭载在浇注机器人上的浇勺舀取和转运后，浇注到浇口盆中，最后通过设备倾转，铝液由进气侧进入模具型腔，完成浇注（图7）。浇注温度为715~735 ℃，倾转浇注时间10~14 s，倾转角度100°。

图7 浇注过程

2 缺陷分析与工艺优化

2.1 缺陷问题描述

采用上述制造工艺批量生产，如图8所示，毛坯发现较大比例的BB芯断芯情况，断芯较严重的铸件甚至造成泄漏，缺陷比例15%。

图8 曲轴箱通风道缺陷（BB芯断芯）

2.2 绘制缺陷产生原因鱼骨图

鱼骨分析法，即因果分析法，通过构建鱼骨图分析问题的根本原因，广泛用于技术和管理领域。

从人、机、料、法、环和测六个方面分析BB芯断芯缺陷的原因，如图9所示，绘制成鱼骨图，通过鱼骨图可以理清问题发生的根本原因，对后续的措施制定提供便利。通过现场验证需要优化以下4个方面：优化冒口砂芯与BB芯配合结构；优化底框砂芯与BB芯配合结构；优化BB芯转运和存储方式；优化下芯夹具报警装置。

图9 BB芯断芯原因分析鱼骨图

2.3 冒口砂芯与 BB 砂芯配合结构优化

BB芯与冒口砂芯顶端配合情况如图10所示，通过冒口砂芯形成的凹槽对BB砂芯顶端进行定位，生产过程中发现，该配合间隙较小（单边0.2 mm），稍有波动就会发生断芯。

图10 BB芯、冒口砂芯结构及优化方案

方案一：取消冒口限位结构，解决BB芯与冒口砂芯配合间隙小问题。生产验证过程中，BB芯断芯得到明显解决，缺陷比例0.1%以下，但受倾转工艺影响，只通过与底框砂芯和金属模的定位，无法保证浇注过程BB芯的位置度，发生25%以上的位置偏移情况（如图11所示），尺寸超差风险明显提高。

图11 BB芯位置度超差

方案二：配合位置增加倒角（3°），减小配合过程剐蹭。生产过程中，无明显改善。

方案三：结合倾转工艺，BB芯只向倾转一侧偏移（进气侧），在方案二更改的基础上，优化BB芯芯头结构，取消排气侧砂芯配合。生产验证过程中，断芯比例由15%降低到2.5%，有效解决因冒口砂芯与BB芯干涉造成的断芯情况。

2.4 底框砂芯与 BB 砂芯配合结构优化

受结构限制，在芯盒设计时，如图12和图13所示， BB芯与底框砂芯定位的定位面存在分型面，砂芯连续生产过程中，存在微量错箱、涨箱的情况（0.1~0.3 mm），直接造成BB砂芯下不到位的情况。

图12 BB芯与底框芯配合情况

铸造工艺设计时，BB芯与底框砂芯配合位置的对应倒角尺寸一致，圆角尺寸3 mm（图13）。通过现场试验，将BB芯圆角尺寸调整为4 mm，有效解决了砂芯下不到位问题，断芯比例由2.5%降低到1.8%。

图13 BB芯与底框芯倒角尺寸

2.5 BB 芯转运、储存方式优化

原有的生产方式，BB芯通过芯车进行转运和储存，水平摆放在芯车上，转运过程可见明显抖动，偶发可见断裂砂芯。通过设计BB芯工位器具，增加隔断固定并将BB芯统一储存，统一转运，断芯比例由1.8%降低到1.4%。

2.6 下芯夹具报警装置优化

在生产过程中，冒口砂芯质量大，下芯夹具发生微小异常时，如气撑漏气、气压波动和气撑柱脱扣等问题，易发生冒口砂芯微小下沉的情况。当下沉量超过2 mm时，会挤压BB芯，造成断裂。如图14①所示，正常工作状态下，冒口砂芯水平，报警指示灯显示绿色。如图14②所示，当冒口砂芯下沉量超过1 mm时，红外检测装置检测异常，红色报警灯闪烁，及时反馈生产人员，能有效避免BB芯断裂发生，断芯比例由1.4%降低到0.2%以内。

图14 下芯夹具报警装置

2.7 生产验证

通过砂芯结构优化和过程控制方法优化，改进了铸造工艺，有效解决了BB芯断芯问题，断芯比例由15%降低到0.2%以内。

3 曲轴箱通风道的3种铸造工艺方式对比

如图15所示，现有的曲轴箱通风道的形成有3种铸造工艺方式：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。

图15 曲轴箱通风道铸造工艺

3.1 冒口砂芯+BB芯+底框砂芯

本文讨论的情况，BB芯与冒口砂芯和底框砂芯两种砂芯同时进行定位，对生产过程要求高，易发生BB芯断芯缺陷。优势是不需要线下打胶组芯工序，节省人员，工艺优化后组芯操作简单。

3.2 冒口砂芯+BB芯+粗加工

如图16所示，该缸盖产品曲轴箱通风孔通道罩盖面通孔由BB芯形成，燃烧室面通孔由粗加工形成，无BB芯断芯缺陷，但组芯打胶工序存在0.1%以下的砂芯组不到位情况。

图16 铸造工艺及实物照片

优势：BB芯与冒口砂芯定位，通过制作适当的胎具，保证尺寸精度；随着缸盖的更新换代，对曲轴箱通风道的尺寸要求越来越高，通过粗加工将通道加工通，尺寸精度高。

劣势：需要线下组芯打胶工序，工艺流程长；需要增加粗加工工序，影响加工节拍。

3.3 冒口砂芯+BB芯

如图17所示，该缸盖产品曲轴箱通风道罩盖面通孔由BB芯形成，BB芯与冒口砂芯单点定位。

图17 砂芯工艺

该产品正在开发阶段，减少了BB芯与底框砂芯的定位，原设计不考虑后续粗加工，但因为砂芯较长，燃烧室面通孔尺寸很难保证（缺陷比例5%），后续考虑增加粗加工。另外由于BB芯直接与金属模具配合，配合面易产生油烟堆积，若油烟不及时清理，组芯不到位，易造成BB芯断芯（5%），针对该问题，后续模具对应位置设计抽真空通道，及时排烟。

4 结束语

（1）通过绘制鱼骨图，明确缺陷产生的根本原因有四个：①冒口砂芯与BB芯配合间隙小 ；②底框砂芯与BB芯配合间隙小；③BB砂芯转运和储存方式不合理；④下芯夹具异常不能及时识别。其中“冒口砂芯与BB芯配合间隙小”问题影响最大，为主要原因，缺陷比例12.5%。

（2）从砂芯结构优化和过程控制方法优化，两个方向改进了铸造工艺：①优化冒口砂芯与BB芯配合结构（主要措施）；②优化底框砂芯与BB芯配合结构；③优化BB芯转运和存储方式；④优化下芯夹具报警装置等措施。

（3）有效解决了曲轴箱通风道缺陷（断芯）问题，缺陷比例由15%降低到0.2%以下，提高了铸件质量，降低了废品率。

（4）探讨了我公司三种缸盖产品曲轴箱通风道形成的3种铸造工艺方式，认为“冒口砂芯+BB芯+粗加工”的铸造工艺方式值得后续新产品设计参考。

本文作者：

任泽翔 于越 张守双 唐志泉 刘卓霖 喻浩楠 栗金旗

一汽铸造有限公司有色铸造分公司

林柏杨
一汽铸造有限公司铸造模具设备厂

本文来自：铸造杂志，《压铸周刊》战略合作伙伴