活塞模具的工藝改進(jìn)

■ 劉向芹

1. 概述

活塞是發(fā)動(dòng)機(jī)的“心臟”，作為活塞加工的第一步，鑄造質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到活塞最終產(chǎn)品質(zhì)量的結(jié)果，模具是活塞成形的前提和基礎(chǔ)，模具質(zhì)量與活塞質(zhì)量息息相關(guān)，模具的制造缺陷極易造成大批量活塞廢品損失。因此，控制活塞質(zhì)量需從鑄造開(kāi)始。

為滿足轎車活塞質(zhì)量的嚴(yán)格要求，同時(shí)為改變傳統(tǒng)手工模具的工作方式，提高生產(chǎn)效率，我公司從德國(guó)引進(jìn)了MG20鑄造機(jī)，主要用于生產(chǎn)轎車活塞。鑄造機(jī)經(jīng)調(diào)試完成并進(jìn)入正常生產(chǎn)后，一方面提高了工作效率，同時(shí)比手工模具鑄造的活塞毛坯廢品率也明顯降低。但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的生產(chǎn)之后，發(fā)現(xiàn)該鑄造機(jī)生產(chǎn)的活塞毛坯質(zhì)量問(wèn)題主要出現(xiàn)在外圓縮松上，特別是銷座厚大處剖面縮松問(wèn)題相對(duì)嚴(yán)重。

為保證產(chǎn)品質(zhì)量，降低轎車活塞毛坯的廢品率，如何解決銷座厚大處剖面縮松問(wèn)題就迫在眉睫。本文總結(jié)實(shí)際改進(jìn)工作過(guò)程，對(duì)解決上述問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)的探討，提出了切實(shí)可行的解決方案。

2. 縮松缺陷分析

在鑄造過(guò)程中，鋁活塞毛坯產(chǎn)生縮松的主要原因是鋁液的液態(tài)收縮值和凝固收縮值大于鑄件的固態(tài)收縮值而產(chǎn)生的，當(dāng)鋁液澆滿模具體后，隨即發(fā)生液態(tài)收縮，當(dāng)鑄件表面溫度下降到凝固溫度時(shí)，表層就凝固成一層硬殼，殼內(nèi)的鋁液因溫度下降仍產(chǎn)生液態(tài)收縮，同時(shí)要對(duì)逐漸加厚的硬殼層凝固收縮進(jìn)行補(bǔ)償，雖然固態(tài)硬殼因溫度降低而使鑄件外表尺寸縮小，但由于鋁液的液態(tài)收縮值和凝固收縮值大于鑄件的固態(tài)收縮值，所以無(wú)法平衡或自補(bǔ)實(shí)際收縮。隨著凝固過(guò)程的不斷進(jìn)行，鋁液溫度不斷下降，硬殼不斷加厚，此時(shí)的鑄件厚大處已不能完全滿足補(bǔ)縮要求，在最后凝固的部位因無(wú)充分鋁液補(bǔ)縮而形成孔洞縮松。

3. 初次改進(jìn)

按照傳統(tǒng)解決縮松問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn)，需要在鑄件厚大處增設(shè)冒口，按照遠(yuǎn)離冒口的部分最先凝固，然后是靠近冒口的部分，最后是冒口本身凝固的次序進(jìn)行，即在鑄件上建立一個(gè)遞增的溫度梯度，使鑄件形成順序凝固，將縮松問(wèn)題體現(xiàn)在冒口內(nèi)部，即可使縮松問(wèn)題得到解決。

根據(jù)上述原理，初次改進(jìn)是在該鑄造機(jī)模具的兩側(cè)銷座處各開(kāi)了一個(gè)高500mm、直徑為290mm的冒口，通過(guò)冒口進(jìn)行保溫，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)厚大處進(jìn)行補(bǔ)縮。經(jīng)初次改進(jìn)后鑄造的活塞毛坯件工藝如圖1所示。

經(jīng)此次改進(jìn)后，剖面縮松問(wèn)題雖然得到了解決，但是在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于在銷座處開(kāi)設(shè)了冒口，在保溫的同時(shí)也形成了熱節(jié)，同時(shí)由于兩側(cè)冒口的保溫套在使用過(guò)程中易破損，操作工需用石棉保溫材料涂抹進(jìn)行修補(bǔ)，經(jīng)多次涂抹修補(bǔ)后，自然造成了鋁液容量不足，于是出現(xiàn)了新的問(wèn)題，活塞毛坯極易在銷座處的外圓或槽底產(chǎn)生分散性縮松，產(chǎn)品質(zhì)量沒(méi)有得到根本控制，需要對(duì)其繼續(xù)進(jìn)行改進(jìn)。

4. 二次改進(jìn)

通過(guò)對(duì)模具結(jié)構(gòu)的認(rèn)真分析，發(fā)現(xiàn)如果將該模具的兩側(cè)冒口合二為一，即將冒口開(kāi)設(shè)在模具頂部，則冒口的保溫套就不容易破損，而銷座處的外圓產(chǎn)生的縮松主要原因是冷卻速度過(guò)慢，同時(shí)冒口內(nèi)的鋁液沒(méi)有起到應(yīng)有的補(bǔ)縮作用，無(wú)法對(duì)銷座進(jìn)行有效補(bǔ)償，于是產(chǎn)生了銷座剖面縮松。為了實(shí)現(xiàn)銷座厚大處外圓快速冷卻的目的，需使用較模具鑄鋼熱導(dǎo)率大的物質(zhì)來(lái)進(jìn)行激冷。附表為幾種常見(jiàn)金屬的熱導(dǎo)率。

通過(guò)幾種金屬熱導(dǎo)率的對(duì)比，同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)實(shí)用因素，且經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，第二次改進(jìn)中決定采用純銅塊鑲嵌在模具熱節(jié)處進(jìn)行激冷，以提高熱節(jié)處的冷卻速度，加快銷座厚大處的冷卻，同時(shí)通過(guò)頂冒口內(nèi)的鋁液對(duì)首先冷卻的銷座進(jìn)行有效補(bǔ)償，從而消除銷座剖面縮松。

根據(jù)上述原理，從而形成了兩點(diǎn)新的改進(jìn)方案。其一，在頂面燃燒室內(nèi)按傳統(tǒng)的工藝方法在允許尺寸范圍內(nèi)開(kāi)設(shè)頂冒口，形成補(bǔ)縮源；其二，以純銅塊代替原銷座兩側(cè)的冒口，以強(qiáng)冷代替補(bǔ)償，在保證銷座厚大處外圓快冷的前提下，促使頂冒口內(nèi)的鋁液對(duì)首先冷卻的銷座進(jìn)行有效補(bǔ)償，形成通暢的補(bǔ)縮通道。二次改進(jìn)后的活塞鑄件工藝如圖2所示。

5. 改進(jìn)后效果

經(jīng)過(guò)兩次改進(jìn)后，首先進(jìn)行了小批量試生產(chǎn)，鑄件通過(guò)多次宏觀檢查，未再發(fā)現(xiàn)縮松廢品，宏觀合格，質(zhì)量穩(wěn)定。同時(shí)，因改進(jìn)后毛坯由兩側(cè)均有冒口改為頂部一個(gè)冒口，銑冒口工序的操作工藝也大幅簡(jiǎn)化，且消除了銷座“側(cè)冒口根”殘余，為后期機(jī)加工生產(chǎn)中的裝夾帶來(lái)了方便，從而有利于減少機(jī)加工廢品。

圖1 初次改進(jìn)后鑄件工藝

圖2 二次改進(jìn)后鑄件工藝

幾種常見(jiàn)金屬的熱導(dǎo)率

6. 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)改進(jìn)后的德國(guó)MG20鑄造機(jī)模具，廢品率得到有效控制與降低，生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量穩(wěn)定，在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，降低了生產(chǎn)成本，改進(jìn)效果明顯，同時(shí)對(duì)其他類似產(chǎn)品模具的改進(jìn)提供了范例。