鋁活塞針狀氣孔缺陷分析及改進措施

段澤成 趙輝

濱州渤?；钊邢薰?山東 濱州 256600

1 活塞結構分析

活塞分為頭部、裙部和活塞銷座三個部分。活塞頂部設有縮口型燃燒室，在環槽部安裝兩道氣環和一道油環。裙部起導向作用并承受側壓力，裙部截面形狀由原來的圓形逐步發展為現在的軸向中凸的橢圓形。銷座部安裝有活塞銷和擋圈。活塞頭部由活塞頂端和環槽兩部分組成?；钊敹私Y構取決于燃燒室的要求，有兩種形式。頂端多采用平頂或接近平頂設計，以減少活塞與高溫氣體間的接觸面積，均勻分布應力。但有些發動機為了混合氣形成的需要，將爆燃減少到最小程度，需要在活塞上設置一定深度的環槽作為燃燒室的一部分。環槽用于安裝活塞環，防止漏氣和防止機油進入燃燒室。活塞銷座是活塞通過活塞銷與連桿連接的支承部分，位于活塞裙部的上方。高速發動機活塞銷座孔不一定與活塞在同一中心線平面上，可向作功行程時活塞接觸缸壁的一側偏移，以減少活塞到上止點變換方向后敲擊缸壁時發出的噪聲?；钊共考椿钊南虏糠?，是活塞的導向部分，使活塞在往復運動過程中盡量保持垂直。由于活塞工作于高溫、高壓的惡劣環境中，因此在工作過程中將產生熱變形和受力變形。原始的設計是將活塞裙部加工成圓柱形，由于熱變形的存在，經常出現卡死的現象。為了避免這種卡死，應當將活塞加工成適當的形狀，以抵消工作時的熱變形?，F代的活塞設計均為中凸變橢圓型面，即縱截面為中凸變橢圓型面，縱截面為中凸形、橫截面為橢圓且在不同裙高處橢圓逐漸變化的復雜空間曲面，把活塞設計成這種形狀，由工作時受熱和受力而產生的變形就可以沿著活塞銷軸方向擴展，截面形狀由橢圓形向圓形逼近，使得活塞裙部與氣缸更好地接觸，獲得更理想的受力面，減小活塞對汽缸壁的沖擊，從而減小發動機的噪聲。此外，活塞裙部與汽缸壁之間的油隙可以對活塞進行潤滑，減小摩擦，改善活塞工作性能并延長活塞使用壽命。

2 鋁活塞制造工藝

某工廠鋁活塞主要制作流程為：先對鋁合金進行熔煉，該環節主要包括：除氣處理、除渣處理、變質處理等，然后在對其進行低壓澆鑄。

3 鋁活塞針狀氣孔分析

3.1 針狀氣孔的危害

針狀氣孔減少了鑄件的有效截面積,且能使局部造成應力集中,使金屬強度降低,同時也降低了活塞的疲勞強度,降低了活塞的使用壽命。

3.2 鋁活塞針狀氣孔的成因分析

經過工作人員的研究分析，鋁活塞針狀氣孔形成的主要原因為：（1）低壓坩堝中的鋁液存在氣體；（2）金屬在澆筑中，活塞的凝固順序是從上而下，并且在凝固過程中會產生一定的氣體匯集于銷孔位置，如果不能及時其減少排放，最終會在此處形成氣孔。通常來說，鋁合金中存在的主要氣體為氫氣，大約占據總量的85%，氫氣主要是鋁液和水產生的化學反應后所形成的產物，化學式為：在高溫條件下，Al+3/2H2O=1/2（OH）3（y-晶體）+3H（溶于鋁液）。鋁合金在大氣中進行熔煉，會產生一定的氧化物，使得鋁液中的含氣量驟增。如果鋁合金熔煉時間越長且溫度較高，那么鋁液對氣體的需求量就越大。在研究中，鋁液中如果有氣體，就說明只具備了針孔形成的條件，對于是否形成針孔或者形成針孔的大小主要取決于鑄件在澆筑中的凝固作用以及凝固中鋁液的外部壓力。如果鑄件凝固速度越快，那么鋁液的外部壓力越大，就說明形成針狀氣孔的可能越小。在低壓鑄造中由于外部壓力較大，相對冷卻速度較快，可以有效減少氣孔的產生，需要注意是，如果氣體不能順利排出，那么就十分有可能在出現氣孔，因此，在實際應用中工作人員可以采用涂料層蓄氣進行排氣，主要是由于涂料層和金屬型相比具有良好的孔隙度，所以具有一定蓄氣和通氣能力。經過分析發現，鋁活塞制造過程中銷孔出現針狀氣孔的主要原因是：（1）鋁合金的熔煉時間較長，并且熔煉溫度較高，鋁液中氧化物雜質較多；（2）三元變質過程中極易吸收水蒸氣，導致在三元進行處理的時候鋁液中氣體含量較大；（3）澆筑工作中，空氣中的水漲氣和鋁液以及氧化雜質容易出現化學反應，進而導致鋁液中氣體含量增加；（4）澆筑工作中，充型速率較快，導致鋁液的整體凝固時間減少，一些氣體不能及時排除，從而出現針狀氣孔；（5）澆筑工作中，在模具處理中涂料層的使用較少，不能及時吸收鋁液凝固時所產生的氣體，從而導致銷孔位置出現針狀氣孔。

4 活塞加工存在的問題

多年來，我國機床行業在活塞專用機床開發研制方面做了大量工作，但隨著汽車發動機技術和活塞產品技術的迅速發展，仍需在活塞先進制造技術及裝備方面加大研究開發力度，以適應活塞制造業的發展。（1）高精度專用數控機床的研制。隨著數控技術的逐步發展，數控加工方法勢必會替代普通加工方法。活塞異形外圓數控車削刀具由微進給機構驅動，微進給機構的性能就決定了加工精度?；钊愋瓮鈭A加工精度要求不斷提高，對于微進給機構的性能要求隨之提高。除了精密微進給機構外，還需要精密控制系統進行實時控制。目前國內使用的數控活塞加工車床多采用前饋控制，雖能取得較高的加工精度，但是其頻率特性識別存在誤差，難以進一步提高加工精度。因此，需要研制精度更高的控制系統。（2）高精度靠模加工設備的研制。目前，在活塞生產線上大批量生產時，大多數中小企業仍然采用靠模加工方法。但是，活塞的加工精度很大程度上取決于靠模的精度，而我國的許多工廠仍然依靠數控磨床加工立體靠模，加工精度難以保障，加工效率較低。為了適應目前國內活塞生產的現狀，需要研制高精度的活塞靠模專用加工設備。

5 結語

新時代的發動機朝著大功率、低油耗、低排放和長壽命的方向發展，活塞質量的大小及好壞直接影響發動機的工作質量。綜上所述，鋁活塞對于我國制造行業的持續發展具有重要意義。銷孔位置的針狀氣孔是較為常見問題，對鋁活塞的質量具有直接影響，在鋁活塞制造只有從實際情況出發，針對不同情況采取不同措施，才能更好的對針狀氣孔進行有效處理，提高鋁活塞質量。