【日】 橋野文譽(yù) 曽我和弘 松岡秀臣 中神立行 矢野栄治 三田康忠 西川賢治 川合誠

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材料工藝

在鋁合金壓鑄生產(chǎn)線上防止機(jī)體加工表面氣孔的對(duì)策

【日】 橋野文譽(yù) 曽我和弘 松岡秀臣 中神立行 矢野栄治 三田康忠 西川賢治 川合誠

豐田汽車公司田原工廠發(fā)動(dòng)機(jī)鑄造車間的技術(shù)人員對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)鋁合金氣缸蓋裝配面上發(fā)生氣孔缺陷的原因進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，金屬模具的溫度變化會(huì)導(dǎo)致模具膨脹或收縮，而且采用常規(guī)方法清除模具上膠粘的鋁材有可能會(huì)造成模具的磨損。為此，在生產(chǎn)過程中應(yīng)用金屬模具溫度管理技術(shù)，同時(shí)改用堿性溶液清除模具上膠粘的鋁，最終實(shí)現(xiàn)減少氣缸蓋裝配面上氣孔缺陷的目標(biāo)。

氣缸蓋裝配面 氣孔 金屬模具 溫度管理 模具清洗

0 前言

豐田汽車公司的田原工廠位于日本愛知縣田原市的臨海工業(yè)區(qū)，該工廠的發(fā)動(dòng)機(jī)制造部門集鑄造、加工、組裝、刀具研磨及維修等各種發(fā)動(dòng)機(jī)制造功能于一體。

田原工廠的第二發(fā)動(dòng)機(jī)鑄造科是采用壓鑄工藝生產(chǎn)V6及V8發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體(配裝于Lexus等車型)的車間。作為用于Lexus品牌的V6及V8發(fā)動(dòng)機(jī)，要求其必須具備極高的品質(zhì)。本文介紹在該車間生產(chǎn)技術(shù)人員與后續(xù)工段技術(shù)人員的協(xié)作下，改善鑄件產(chǎn)品品質(zhì)的實(shí)例(圖1)。

圖1 V6及V8發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)體照片

1 課題選定

V6及V8發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體氣缸蓋裝配面上的鑄造缺陷一直都是存在的，由此導(dǎo)致的鑄件不合格率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目標(biāo)值(圖2)。因此，技術(shù)人員將降低氣缸蓋裝配面的加工不合格率作為現(xiàn)場技術(shù)攻關(guān)的目標(biāo)之一。

圖2 機(jī)體氣缸蓋裝配面加工不合格率的變化

2 現(xiàn)狀把握

氣缸蓋裝配面的鑄造缺陷一般是在加工完成后的檢查中發(fā)現(xiàn)的，用電子顯微鏡對(duì)缺陷進(jìn)行觀察和分析后發(fā)現(xiàn)，缺陷表面沒有樹枝狀晶體等金屬熔液凝固時(shí)常見的紋路，而是呈現(xiàn)出平整的球面狀。這被認(rèn)為是由于鑄造缺陷內(nèi)部的壓力較高，壓力從內(nèi)部施加于鑄造毛坯的結(jié)果。因此，推斷這是內(nèi)部含有空氣的氣孔缺陷(圖3)。

圖3 用電子顯微鏡觀察得到的鑄件氣孔圖像

通常，由于壓鑄工藝所用金屬模具溫度較低，在金屬模具中快速冷卻的鋁合金熔液凝固時(shí)間也較短，因此，容易在表層形成一定程度缺陷較少的完好層。

因此，對(duì)鑄件表層的完好層進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，一直到距離金屬模具表面0.7～0.9mm處，都是不存在鑄件氣孔缺陷的完好層(圖4)?；谶@一調(diào)查結(jié)果，在后續(xù)工段技術(shù)人員的協(xié)助下，長時(shí)間實(shí)施采用堆焊法矯正金屬模具以降低加工余量的試驗(yàn)。由試驗(yàn)結(jié)果確認(rèn)，可將氣孔封閉在鑄件內(nèi)部，而不出現(xiàn)在最終的加工表面(圖5)。

圖4 鑄件表層的完好層

圖5 通過降低加工余量將氣孔封閉在鑄件內(nèi)部的機(jī)理

然而，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了必須予以解決的課題，即鑄件毛坯材料的尺寸差異。如毛坯尺寸過小，會(huì)形成導(dǎo)致產(chǎn)品不合格的殘留黑皮(金屬表面的氧化膜)；而如果尺寸過大，則鑄件毛坯的加工余量就會(huì)增加，從而加劇加工刀具的損壞。

因此，在確定測(cè)量鑄件毛坯材料尺寸差異的測(cè)點(diǎn)后，進(jìn)行大量的調(diào)查試驗(yàn)。結(jié)果確認(rèn)，鑄件材料

尺寸的的差異是隨著部位的不同而發(fā)生變化的(圖6)。

圖6 氣缸蓋裝配面的尺寸差異

根據(jù)上述分析可知，如能抑制鑄件毛坯材料的尺寸差異，就有可能在完好層范圍內(nèi)實(shí)施表面加工(指鑄件的表面精加工)。

3 目標(biāo)設(shè)定

研究人員對(duì)在鑄件完好層范圍內(nèi)進(jìn)行表面精加工以封閉氣孔的對(duì)策進(jìn)行分析研究，嘗試將氣缸蓋裝配面上因氣孔缺陷導(dǎo)致的不合格率降低到目標(biāo)值以下。

4 原因分析

針對(duì)鑄件坯材尺寸(加工余量)出現(xiàn)差異的原因，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)物進(jìn)行分析后得出結(jié)論(圖7)。分析結(jié)果表明，導(dǎo)致氣孔缺陷的原因主要有以下2個(gè)方面： (1)金屬模具的溫度變化會(huì)使模具產(chǎn)生膨脹或收縮；(2)在清除金屬模具上膠粘的鋁合金時(shí)，模具會(huì)產(chǎn)生一定磨損。

圖7 導(dǎo)致氣孔缺陷的原因分析

此次研究針對(duì)影響金屬模具溫度變化及模具形狀穩(wěn)定化的3個(gè)因素實(shí)施改進(jìn)措施： (1)內(nèi)部冷卻；(2)涂敷脫模劑(即外部冷卻)；(3)在清除鋁膠粘的作業(yè)中引起的模具磨損。

5 針對(duì)金屬模具溫度變化的改進(jìn)措施

對(duì)金屬模具溫度變化最為明顯的時(shí)間及溫差進(jìn)行確認(rèn)，結(jié)果表明，在金屬模具夾鉗操作時(shí)會(huì)出現(xiàn)約30℃的溫度波動(dòng)(圖8)，并且，此時(shí)的加工余量也有大幅度的變化。對(duì)于壓鑄金屬模具而言，一般會(huì)運(yùn)用以下2種方法，將其溫度(受熱于鋁合金熔液)降低至目標(biāo)溫度水平： (1)金屬模具的內(nèi)部冷卻；(2)涂覆脫模劑(即外部冷卻)。為此，詳細(xì)調(diào)查了這兩種方法的現(xiàn)狀，并采取相應(yīng)對(duì)策。

圖8 澆鑄過程中金屬模具的溫度變化

5.1 金屬模具的內(nèi)部冷卻

針對(duì)金屬模具內(nèi)部設(shè)置冷卻水道的主體壓鑄模與全部模具嵌套實(shí)施調(diào)查。調(diào)查結(jié)果顯示，在通往型腔前端起冷卻作用的水道處有附著的異物，水道因此而變得狹窄(圖9)。

圖9 冷卻水道中的異物

接著，調(diào)查工業(yè)用水是否存在問題。調(diào)查結(jié)果表明，在工業(yè)用水中，鈣、鈉及鹽分等礦物成分的量極少，說明水的品質(zhì)并未出現(xiàn)異常。因此，又調(diào)查了冷卻水道中異物的具體形態(tài)，結(jié)果表明，所謂“異物”，就是常說的“紅銹”，是以Fe2O3為主體的物質(zhì)。雖然之后嘗試采用濾清器等去除雜質(zhì)，或使用管道水循環(huán)冷卻等方法，但出于成本及穩(wěn)定性等方面的原因，這些措施并沒有得到采納。

因此，著眼于日本南部鐵器的生產(chǎn)工藝。所謂“南部鐵器”，是利用獨(dú)特的制造工藝，在鐵器表面形成黑銹，以此抑制紅銹的發(fā)生。黑銹與紅銹的體積比約為1/10，所以能夠減少異物的生成量。研究人員針對(duì)能否在配管內(nèi)部涂覆黑銹層的問題進(jìn)行各種試驗(yàn)研究。結(jié)果顯示，如果使用堿性離子化水作為冷卻水(pH值約為10)，那么，在一段時(shí)間后，管道內(nèi)部會(huì)生成極少量的黑色覆層，由此抑制紅銹的產(chǎn)生，減少管道內(nèi)的異物(式(1)，式(2))。

紅銹： 4Fe+3O2+2H2O→4FeO(OH)

(1)

黑銹： 6FeO(OH)+2e-

→2Fe3O4+2H2O+2OH-

(2)

5.2 涂敷脫模劑

針對(duì)兼具外部冷卻作用的金屬模脫模劑及其涂敷方法，也同時(shí)實(shí)施詳細(xì)的調(diào)查。在脫模劑中加水后，利用約240個(gè)噴槍對(duì)金屬模具整個(gè)表面進(jìn)行涂敷作業(yè)，每次噴涂1.5L脫模劑。由于很難同時(shí)對(duì)這么多的噴槍分別實(shí)施管理，只能按總量控制脫模劑的涂敷量，所以，從各噴槍噴出的脫模劑的量可能會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)(圖10)。

圖10 涂敷脫模劑的噴槍

為此，對(duì)所有噴槍的脫模劑噴涂量進(jìn)行定期測(cè)定，確認(rèn)脫模劑的噴涂量確實(shí)存在極大的波動(dòng)。嘗試通過減少噴槍數(shù)量來達(dá)到管理脫模劑噴涂量的目的，但這樣無法確保必要的噴涂效果，并且會(huì)導(dǎo)致發(fā)生鑄件擦傷等不合格現(xiàn)象。最后，確認(rèn)不能采用這一方法。

最終的對(duì)策是開發(fā)了對(duì)油性脫模劑施加靜電的全新噴涂工藝，利用脫模劑噴槍在眾多涂敷點(diǎn)之間移動(dòng)，完成脫模劑的涂敷作業(yè)，力求實(shí)現(xiàn)噴涂量的穩(wěn)定化(圖11)。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用這一工藝可大幅減少用于涂敷脫模劑的噴槍數(shù)量，涂敷量管理也變得更為有效和方便，能夠抑制噴涂量的波動(dòng)。

圖11 靜電脫模劑的噴涂原理

通過上述改進(jìn)措施，金屬模具在熱態(tài)與冷態(tài)下的溫度變得更為穩(wěn)定，氣缸蓋裝配面的加工余量得到控制，以此減少鑄件不合格率的效果最終得到確認(rèn)。

6 針對(duì)研磨清理作業(yè)的改進(jìn)措施

按照金屬模具的維護(hù)要求，對(duì)冷態(tài)金屬模具的尺寸必須定期用三維檢測(cè)儀器確認(rèn)其形狀，如發(fā)生形狀變化，就必須用數(shù)控加工機(jī)床進(jìn)行修復(fù)，以維持其設(shè)計(jì)形狀。金屬模具尺寸發(fā)生變化的一個(gè)重要原因是在鑄造生產(chǎn)前后進(jìn)行模具整備時(shí)，因?qū)δ＞弑砻孢M(jìn)行研磨清理而導(dǎo)致其發(fā)生磨損。該項(xiàng)作業(yè)的目的是清除在鑄造生產(chǎn)中附著在金屬模具上的鋁。

附著在金屬模具上的鋁是被焊接上去的，因此，必須使用噴氣鑿或小型研磨機(jī)進(jìn)行研磨清理(圖12)。為此，雖然技術(shù)熟練工人能夠只清除模具表面的鋁而不損壞模具本身，但非熟練工人有可能會(huì)在作業(yè)過程中對(duì)金屬模具造成刮削和損傷，由此導(dǎo)致其形狀發(fā)生變化。因此，技術(shù)人員對(duì)鋁清除作業(yè)中改進(jìn)機(jī)械切削方法的課題進(jìn)行研究，探索新的途徑。最終，借鑒涂裝車間所使用的夾具清洗方法，即使用堿性溶液(氫氧化鈉)清除涂料的經(jīng)驗(yàn)，研究評(píng)價(jià)了

圖12 清除附著在金屬模具表面的鋁

基于式(3)所示化學(xué)反應(yīng)溶解清除鋁的效果。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，可以在不損壞金屬模具的前提下，溶解并清除模具表面的鋁，從而達(dá)到預(yù)期的效果。

2Al+2NaOH+6H2O

→2Na[Al(OH)4]+3H2

(3)

此外，針對(duì)鋁與堿性溶液最容易發(fā)生反應(yīng)的溫度及浸泡時(shí)間等條件進(jìn)行多次嘗試和研究，最終確定了適用于量產(chǎn)的處理?xiàng)l件。

在確認(rèn)量產(chǎn)處理?xiàng)l件的過程中，考慮到如果反應(yīng)能力減弱，會(huì)導(dǎo)致無法徹底清除模具表面的鋁，從而造成產(chǎn)品不合格率上升的后果，所以，提出應(yīng)將鋁材試樣浸泡在堿性溶液中達(dá)一定時(shí)間，并比較其浸入溶液前后的質(zhì)量，以此判斷處理工序的效果。并且，這將作為金屬模具的日常維護(hù)管理項(xiàng)目固定下來。

最后，針對(duì)堿性溶液在操作過程中的安全性進(jìn)行探討。在徹底理解工藝操作的特性、確定管理項(xiàng)目和防護(hù)設(shè)備，以及制定作業(yè)程序手冊(cè)之后，還開展車間的安全生產(chǎn)活動(dòng)，增強(qiáng)員工的安全意識(shí)，將作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)降至最低，從而成功導(dǎo)入堿性溶液清除工序，降低了因金屬模具研磨導(dǎo)致的尺寸變化。

7 結(jié)語

在實(shí)施本文所述各項(xiàng)對(duì)策后，降低了金屬模具在熱態(tài)及冷態(tài)條件下的尺寸波動(dòng)，如圖13所示，不僅降低了氣缸蓋裝配面的氣孔不合格率，而且，由于降低了加工余量，從而能取消加工過程中的粗加工工序。

圖13 降低機(jī)體不合格率的效果

2014-10-09)