車用鋁合金零件（金屬支管）壓裝關鍵控制參數研究

楊欽豐　邵俊龍

摘 要：在汽車冷卻系統中，比如發動機缸蓋等鋁合金零件多采用旁通金屬支管結構，以便與（橡膠）冷卻管路進行連接，為了保證金屬支管壓裝質量可靠性，采用理論分析和試驗研究相結合的方法，分析了材料、表面質量、過盈量設計、密封膠等質量控制關鍵因素，提出了以上參數的最優控制參考范圍，并給出了金屬支管壓裝質量檢驗方法建議，為采用類似結構的車用鋁合金零件的質量控制提供了思路及經驗。

關鍵詞：冷卻系統 鋁合金 金屬支管 關鍵因素 控制方法

1 問題背景

現今，在汽車發動機、新能源三電冷卻系統中，鋁合金零件經常使用旁通金屬支管的結構，以便與橡膠冷卻管路進行連接。如發動機缸蓋，鋁合金進氣歧管，調溫器座，調溫器蓋，驅動電機等（如下圖1、圖2示）。

但旁通金屬支管結構漏水質量問題在主機廠偶有發生，由于防凍液泄漏后肉眼明顯可見，容易引起客戶強烈抱怨。究其原因，目前對含金屬支管的鋁合金零件，其壓裝質量的控制無相關標準和成熟經驗可依，開發過程技術要求也不明確或者統一，導致零部件制造商在生產過程中控制偏差。

為規避后續同類質量問題復發，現對含金屬支管的鋁合金零件進行壓裝工藝控制，并對相關關鍵參數進行分析、試驗驗證，為后續類似結構零件的設計、生產制造及質量管控提供經驗參考。

另外，尼龍材料一體注塑零件（支管與本體一體注塑）由于熱負荷承受能力或結構復雜程度限制，暫時無法完全替代鋁合金結構，故從零部件成型工藝方面，含旁通金屬支管的結構仍將大量使用于汽車（含新能源）冷卻系統中。

2 關鍵控制參數研究

2.1 金屬管選型

2.1.1 材料：根據零部件用途，可選擇以下兩種常見材料：

2.1.1.1 直縫電焊管（08#/10#鋼）：

常用規格：

2.1.2.1 冷拔無縫管（08#/10#鋼）：

常用規格：

金屬管壁厚、外徑、彎曲度、不圓度等尺寸或形狀公差，以及機械性能（屈服強度、抗拉強度、斷裂伸長率）等參數符合GB/T 13793-2016-直縫電焊鋼管[1]及GB/T 8162-2018-結構用無縫鋼管[2]。

另外，為保證金屬管質量，生產廠家還需與供貨商約定金屬管熱處理狀態、金屬管的表面處理（鍍鋅、鍍鋅層厚度）、外觀質量要求、來料包裝方式等信息。

2.2 關于管的硬度要求：

某主機廠調溫器座總成曾發生φ14金屬支管脫落，導致漏水質量問題。究其主要原因：金屬管硬度偏低，壓入調溫器座本體后，金屬管管體變形大，導致其拉拔力偏低，在發動機高溫高壓冷卻液的沖擊下，金屬支管從調溫器座殼體中脫落。對該批次金屬管壓裝性能驗證如下表3所示：

供貨商改善金屬管熱處理工藝后，金屬管硬度恢復至初始交樣狀態，進行金屬管壓裝性能驗證如下表4所示：

根據以上摸底驗證，當管件各部位的平均硬度在35～45 HRB時，拉拔力最低僅有1.1KN，遠小于φ14管拉拔力≥3KN的技術要求。而當管件平均硬度在60HRB左右時，拉拔力100%符合技術要求。

同時，為規避管件壓入鋁制本體后，本體底孔各部位變形不一致，存在漏水隱患問題，管件上同一或不同部位硬度差值不應過大。綜上，管件各部位硬度及平均硬度初步推薦值在60±5 HRB。

2.3 管件尺寸、形狀公差的選取

管件壓裝部位外徑、壁厚、圓度等尺寸、形位公差必須符合圖紙要求（滿足過盈量同時保證過盈均勻），非壓裝部位壁厚、外徑應符合直縫電焊鋼管 或結構用無縫鋼管相關國標或與供貨商約定的技術要求進行控制。

3 底孔質量選取

3.1 直徑：各個方向直徑嚴格符合圖紙技術要求（保證過盈量）；

3.2 粗糙度：Ra3.2；（建議采用帶冷卻的機加中心加工，避免底孔有明顯手感刀紋、劃傷等）

3.3 垂直度：為保證金屬管壓裝時水平壓入，避免金屬管外壁與底孔內壁異常接觸后受力彎曲。應對底孔軸心線與定位基準的平行度及垂直度進行要求。

推薦參照GB/T 1184-1996-形狀和位置公差未注公差值[3]附錄B-B3進行位置公差的選取，或按位置公差未注公差要求中的H級執行。

4 過盈量及壓裝深度的選取

通過對不同規格的金屬管產品的壓裝驗證，為保證零件密封性能、拉拔力等技術要求，推薦不同規格的金屬管與底孔配合尺寸（過盈量、壓裝深度）如下表5，供參考使用：

5 密封膠的選取

金屬管壓裝屬于圓柱面密封，為增大管件與零部件本體的連接強度，填充零部件間內部空間并固化為一個牢固配合，應使用填充間隙能力強及高強度的厭氧型密封膠。

根據《樂泰產品選擇指南》，發動機運行工況參數及金屬管狀零件配合特性，可供選擇的密封膠有樂泰609、樂泰638等產品，相比而言，如樂泰638初固時間更短（5min），填充間隙更大（0.381mm），固化后抗剪切強度更高（25MPa），638還適用于動態負荷或周期性載荷工況下。

因此，優先推薦使用樂泰638產品。工藝設備或人工涂膠皆可。

根據樂泰638產品介紹，當氣溫在5℃時，樂泰638厭氧膠固化時間較長，與剛制類零件接觸6h后才達到50%固化，而在氣溫為22℃時，其在0.5h后即可達到60%以上固化，如圖３所示。

*因此冬季使用638密封膠壓裝管件后，至少應間隔6h以上再進行泄檢，推薦24H以上完全固化，防止未固化密封膠沖出，保證零件密封性能。

6 金屬管的壓裝

傳統的金屬支管壓裝，均采用人工敲擊壓入，無有效定位或管件導向工裝，導致管件壓入過程，某些方向上受力不均，變形不一致，甚至歪斜、明顯彎曲，嵌件脫落及漏水風險大。

為保證壓裝質量，應使用壓管機進行金屬管的壓裝，該設備能有效保證本體定位、管件導向，管件壓入過程受力均勻，且壓裝力可實時監控，一旦異常即設備報警。

對于壓管設備（如圖4示）的要求，應保證管件與零件本體孔的對中程度，且壓裝過程工作臺跳動可控，避免管件壓入過程受力異常、變形等，導致后期泄漏。

7 拉拔力要求

關于金屬支管拉拔力要求，目前無國家推薦標準或汽車行業標準可參考。

通過對各種規格金屬支管零件進行拉拔力摸底驗證，推薦拉拔力要求如下表6：

注：（1）φ8金屬管，53組數據中37組拉拔力在1-2KN，占比70%；

（2）φ10金屬管，41組數據中有32組拉拔力在2-3KN，占比78%；

（3）φ12、φ14、φ16金屬管拉拔力在3KN以上的比例分別為85%、72%、99%；

8 氣密檢測要求

根據發動機熱式試驗、整車路試零公里信息及售后故障件分析，含金屬支管類壓裝零件存在水檢（泄檢壓力最大至0.5MPa）無法識別泄漏的現象，導致問題件流出到售后市場，影響整車市場口碑。

由于水檢存在誤判，微漏不易或無法發現泄漏的情況，后續新開發產品及目前主流產品推薦采用干式氣檢進行氣密性檢測（氣檢設備如圖5示）。

其一：目前發動機行業來看，缸體缸蓋等大型零部件均采用干式氣檢方式作為產品是否泄漏的評價手段，總體而言，方法是有效可靠的。

其二：干式氣檢檢測能以產品泄漏量或壓降的量化形式來判斷產品合格與否，不再依靠肉眼辨別，識別效率、正確率更高。

其三：干式氣檢是通過長時間的加壓并穩定平衡后檢測，對于溫度和變形引起的誤差減少；另外，即使檢測壓力發生變動，由于零件內腔與標準腔體共通，設備差壓傳感器仍能精確工作。

極限工況下，部分泄漏品干檢也不能有效識別，可通過熱水檢來判定識別（模擬發動機熱機工況水溫、如90℃），由于零件在熱水環境下各部分處于膨脹狀態，管件與底孔間隙被微觀放大，更有利于密封膠填充間隙缺陷的識別，因此此種方法為鋁合金（含金屬支管）產品泄檢的一種可靠方法。

參考文獻：

[1]GB/T 13793-2016，直縫電焊鋼管[S].

[2]GB/T 8162-2018，結構用無縫鋼管[S].

[3]GB/T 1184-1996，形狀和位置公差未注公差值[S].

[4]Robert L.Norton.，（黃平等（譯）），機械設計[M].北京：機械工業出版社，2016.