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浸渗技术在发动机制造中的应用 |
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作者：大众动力总成（上海）有限公司 朱正德 |
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对铝缸体一类轻质材料的零件进行浸渗处理，可有效减少工件废品率，使其质量得到明显提升，并且在确保产品质量的前提下，有效降低制造成本，提高生产效率。
发动机轻量化及浸渗处理的提出
轻量化已成为当代汽车业界的一种趋势，这主要是由世界范围内对环保和节能的关注所决定的。资料表明，汽车自重若减轻10%，其燃油效率即可提高15%。而燃油效率的提高，意味着汽车的耗油量和排污量降低。因此，减轻汽车自重，是提高汽车的节能性和环保性最有效的办法。发动机作为汽车最为关键的大总成，降低它的重量对降低汽车自重至关重要。
从技术角度讲，实现轻量化有多种途经，如整机结构优化、附件的模块和轻量化等，但是采用塑料、铝合金和镁合金一类轻质材料替代铸铁等传统材料则是当前降低发动机重量的主要方式。事实上，铝合金广泛用于发动机气缸盖、进气歧管，以及水泵壳、机油泵壳等较小零件已有多年，而企业采用铝合金气缸体的情况近十年来也越来越多。不过相比铸铁，铝铸件在铸造过程中，由于晶体形成、收缩和气体吸收的原因，更容易产生内部疏松、缩孔及气孔等缺陷，这些含有缺陷的铸件在经过机加工后，表面致密层区域被去掉，从而使内部的组织缺陷暴露出来。对于上述那些在发动机中有密封性要求的铝铸件，在经过生产线上的泄漏检测工序时，会因为缺陷微孔的存在导致渗漏过大而产生废品，有时甚至是批量的。由于这些情况都是在经历了多道机加工后才能被发现，因此还将造成工时、原材料和能源的严重浪费。由此可见，为了解决铝铸件废品率高的问题，生产中要采取一定的处理措施，目前使用最普遍的技术是浸渗处理，即堵漏。所谓“浸渗”，就是在一定条件下把浸渗剂渗透到铝铸件的微孔隙中，经过固化后使渗入孔隙中的填料与铸件孔隙内壁连成一体，堵住微孔，使零件能满足加压、防渗及防漏等使用要求的一种工艺技术。
真空加压浸渗工艺
目前，国内外在铝铸件生产中，普遍采取的是真空加压浸渗法。这项工艺主要在真空压力罐中进行，按工艺流程可分为前处理、浸渗处理和后处理三个阶段。其各个步骤主要包括：前处理也称微孔预处理，主要是对铸件做脱脂、清洗，再经干燥后以备下一道工序所用；实施浸渗处理的第一步是将工件置于盛篮中，然后将盛篮置于浸渗罐中；将浸渗罐抽真空，以除去部件孔隙中的气体；将密封胶从储液箱输送至浸渗罐，并淹没仍处于真空下的部件；再次将浸渗罐抽真空，以除去密封胶中的气体；释放真空并用压缩空气对浸渗罐加压，这有助于推动密封胶进入孔隙；释放压力，将密封胶输回储液箱；后处理主要是移走部件，甩干、冲洗并完成固化等操作。
前处理的主要目的在于去除零件表面的油污、金属碎屑和灰尘，提高浸渗质量，防止油污及机械杂质带入浸渗液中影响渗透力和粘结力。常用的脱脂方法有溶剂脱脂、碱液脱脂及电化学脱脂。铸件在上述脱脂清洗后取出，经热水漂洗再在80～90 ℃下烘干，为提高浸透效果，并防止大量水分进入真空泵，清洗后的烘干非常重要。
浸渗处理是将经前处理的工件装入浸渗罐密封抽真空，以充分排除罐内及铸件孔隙处的空气和微尘，为浸渗剂的填充和渗透创造压差动力条件。然后，利用罐内负压吸入浸渗剂，再次抽真空。第二次抽真空的目的在于，排出罐内浸渗液中的气体，防止溶有气体的浸渗液渗入铸件微孔缺陷中去，以避免固化时气孔的产生影响密封性能。最后加压，使已充填和渗入铸件孔隙内部的浸渗剂进一步向缺陷各个部位最深处渗透。浸渗剂是由无机或有机物配制而成的液态物质，目前应用较多的甲基丙烯酸盐PC504/66密封剂在加热条件下进行固化，在聚合时以其低收缩率提供突出的微孔填充能力，与此同时，其低粘度帮助密封剂快速而深入地渗透到微孔内部。固化后的密封剂在-50～200 ℃的范围内都能正常发挥效能。
后处理是将工件滴干、清洗并放人固化炉中固化，使进入铸件孔隙的浸渗剂由液态向固态转变，形成坚实的固化膜。固化温度一般设定为80～90 ℃，或在室温（25 ℃以上）下放置24 h。如铸件在300 ℃以上条件使用，宜先在80 ℃温度下固化2 h，接着在110 ℃温度下继续固化1 h。图1是真空加压浸渗工艺的流程示意图。
图1 真空加压浸渗工艺流程
至于在生产过程的哪个环节进行浸渗，不同的生产厂和不同种类的工件则有着很大的差别。少数企业会对所有制造精度和气密性要求较高的动力总成类零件统一作出这样的规定：此类零件在机加工之前，即尚处于铸件状态时就得全部进行浸渗处理，以达到改善铸件性能、延长机加工时的刀具寿命及确保产品质量的目的。但是，绝大多数工厂还是会根据不同种类零件采取不同的做法，一般来说，对于少数关键零件，如发动机中的铝缸体，通常要求在处于铸件状态时就全部进行浸渗处理，然后再送主机厂。至于在主机厂生产线的某道工序之后，再按照一定的准则对部分工件进行浸渗，则取决于主机厂的制造工艺。
对于多数零件，一般并不要求它们在铸件状态时就全部进行浸渗处理，而是采取在生产过程的某道工序之后，根据实际情况再执行浸渗工艺的方案。也就是当经过若干道机加工工序后的零件被证实其某些部位的泄漏检测值介于规定区间时，就只对这部分剔出的工件进行浸渗。大多数情况下被剔出工件的比例是很低的（大致在1%～２%），但当这一比例超过某个界限时（视具体情况而定），主机厂将会要求毛坯厂必须对铸件全部进行浸渗处理。
还有一些零件由于结构等方面的原因，在主机厂的制造工艺中并无列入需要进行浸渗处理的规定。对那些泄漏检测结果超差的工件，无论实测值为多大，一律采取直接报废的做法。不过，若泄漏值超差工件所占比例达到一定程度时，主机厂也会提出对全部铸件毛坯进行浸渗处理的要求。
那么，到底在何处进行浸渗处理的实际操作呢？国内外的普遍做法是由独立的、专业的企业来承担。这样不仅效率高，易于保证质量，而且对总成厂来讲，成本相对也低些。但是也有少数批量大、生产节奏快且对产品质量要求较高的发动机厂，会在车间辟出一个封闭的区域，让上述那种从事浸渗处理的专业厂在里面建一条较为单一、高效且机械化程度较高的浸渗生产线，其地位相当于车间的一个工段。当然，这个“工段”的开动率相比一般的生产线要低。
执行浸渗处理工件的多重界定
众所周知，缸体作为发动机的主体，是其中体积最大、份量最重的零件，当选用铝合金材料时，其降低一半左右的重量对发动机的轻量化意义也最大。但鉴于缸体的结构复杂，机加工的工序较多，因此相比发动机中其他铝铸件，铝缸体在铸造成形过程中产生内部缺陷的机率也较大，故如何规范、高效地通过采用浸渗工艺以确保其质量也最受企业关注。下面，以铝缸体为例，进一步对需要执行浸渗处理工件的界定、认可问题，通过一个有代表性的案例予以说明。某现代化轿车发动机厂里一条新建铝缸体机加工生产线，工件在进入中间清洗工位之前，已经完成了全部粗加工工序。而在执行下一道安装主轴承盖以及之后的各道精加工工序之前，设置了一个密封测试工位。该工位除了对铝缸体的低压油道、水道和高压油道进行泄漏检测，以检验它们的密封性外，也相当于设立了一道关口，根据测得的泄漏值来决定是否需要对这个铝缸体实施浸渗处理。
对工件而言，所设定的甄别界限共有两项：第一项是被检部位的泄漏率，以低压油道为例，其泄漏率界限为30 CC/min；第二项甄别界限是以这个被检部位为对象，判别该铝缸体虽然存在泄漏，但是否有通过浸渗处理进行补救的可能和必要。仍以低压油道为例，表指出了其为500 CC/min。鉴于此，当经过中间清洗工序后的铝缸体，沿输送滚道进入密封测试工位，若测得的该工件三项泄漏值中有任一项低于表给出的对应甄别界限、即泄漏率，则将被判为合格，之后流入下道工序。但只要存在实际测得的泄漏值中任意一项超过其泄漏率，但又小于报废界限的情况，以表中的低压油道为例，该范围介于30～500CC/min之间，此时的铝缸体即作为需要取出进行浸渗处理的工件来对待，由滚道反向送出，再由人工取下送走。至于极少数测得的泄漏值已达到甚至大于表中报废界限的工件，将经由输送滚道流出。上述检测、甄别及分流的过程，是借助密封测试工位里的机器人来执行完成的。
纵上所述，铝缸体一类零件在经过浸渗处理后，不仅减少了废品率，使其质量得到明显提升，而且降低了在确保质量前提下的制造成本，并有效提高了生产率。因此，在当代汽车发动机业界日益趋向轻量化方向发展的过程中，科学、合理地运用浸渗技术是彻底解决铝合金等轻质材料铸件内在问题（如微孔等缺陷）的一种最佳方案。(end)
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(4/17/2013) |
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