一種能提升輕量化鋁活塞鑄造精度的模具改進技術

朱榮華

摘 要：輕量化鋁活塞結構復雜，鑄造模具由多個組件構成，輕量化鋁活塞在鑄造過程中存在脫模拉毛、局部變形、模具磨損快，鋁活塞鑄造內表面分模面粗糙，飛邊嚴重，鑄造精度不理想等問題。針對輕量化鋁活塞難以做到精密鑄造的問題，深入研究鑄造工藝與模具結構關系，多次鑄造實驗和探索，改進內模通水、軌道加工工藝，改變外模滑塊、銷孔模組件結構。獲得了一種能大幅度提升輕量化鋁活塞鑄造精度的模具組件改進技術。關鍵詞：鋁活塞;輕量化;模具組件;精密鑄造;技術改進中圖分類號：TG233 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）11-172-06

Abstract：?The structure of lightweight aluminum piston is complex， and the casting mold is composed of many components. During the casting process of lightweight aluminum piston， there are many problems， such as demoulding and roughening， local deformation， rapid wear of mold， rough parting surface of internal surface of aluminum piston casting， serious flash， and unsatisfactory casting accuracy. Aiming at the problem that it is difficult to achieve precision casting of lightweight alumi?-num piston， the relationship between casting process and mold structure was studied in depth. Many casting experiments and explorations were carried out to improve the water flow and track processing technology of internal mold and change the structure of slide block and pin hole module of external mold. An improved die assembly technology which can greatly improve the casting precision of lightweight aluminum piston was obtained.Keywords：?Aluminum piston; Lightweight;?Mold component; Precision Casting; Technical improvementCLC NO.： TG233??Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）11-172-06

引言

活塞輕量化，是當前國際上較主流的一種活塞設計取向，隨著各國對汽車排放要求的不斷提高，節能減排是主流。活塞輕量化結構是為了滿足現代高速高負荷，低排放發動機。其實質是在一定的高度、外徑、形狀的前提下，通過對活塞的結構優化來達到，即能減輕重量，又不降低機械強度。輕量化活塞常采用凹陷設計，造成活塞鑄造模具結構復雜，鑄造精度難以解決。各活塞生產廠家都期待獲得一種簡單高效，可實現精密鑄造的模具組件。本改進的目的在于克服上述現有技術中的不足之處，提供一種簡單、穩定、高效的，可實現輕量化活塞精密鑄造量產的模具組件改進技術。

1 結構特點

輕量化鋁活塞系指銷孔座外側靠近頂部方向帶有三個軸向凹坑的鋁活塞。活塞呈柱形，頂部實，中下部內收帶空腔。銷孔橫貫中部兩側壁，側壁上的孔即為銷孔。銷軸插在兩側壁的銷孔上，兩側壁銷孔支撐起銷軸兩端施予的作用力。所以銷孔附近的側壁作了加厚設計，帶銷孔的加厚實體也就被稱為銷孔座。活塞有兩個銷孔座，共有六個軸向凹坑。凹坑最大限度地減輕了活塞的重量，使活塞輕量化。軸向凹坑是盲孔，鑄造這些盲孔普遍采用滑塊模。滑塊模在脫模中需要同時作向外和向下兩個分運動，滑塊模也就被限定在斜坡上滑動。為了在銷孔座的內側面或者裙部內壁上鑄造制造廠標記，也要求內模的相關組件在脫模中同時作向內和向下兩個分運動，內模的相關組件也須限定在斜坡上滑動。

現行輕量化鋁活塞鑄造模具由上模、外模Ⅰ、銷孔模Ⅰ、滑塊模Ⅰ、外模Ⅱ、銷孔模Ⅱ、滑塊模Ⅱ、內模八個組件組成。這些組件由安裝在操作臺及臺架上的數控液壓牽引機構從上、下、左、右四個方向牽引，實現模具的自動組合和自動分離脫模。

2 內模組件技術改進

2.1 內模組件工作原理

內模在上述八個組件中作為下模使用。內模從下方深入到外模I和外模II拼合在一起出現的型腔中。內模由活塞銷孔內座片I、活塞銷孔內座片II、活塞裙部片I、活塞裙部片II、活塞內模中心件、活塞止口件六部分組成。所述活塞內模中心件由四棱錐柱及與四棱錐柱一體相連的支撐臺組成。活塞裙部片I、活塞裙部片II分別與四棱錐柱前、后兩側的棱面通過雙道凹槽凸榫軌道連接在一起。活塞銷孔內座片I、活塞銷孔內座片II分別與四棱錐柱左、右兩側的棱面面接觸（外模I在左側棱面的左側、外模II在右側棱面的右側），將活塞裙部片I、活塞內模中心件、活塞裙部片II夾在中間。活塞銷孔內座片I、活塞銷孔內座片II、活塞裙部片I、活塞裙部片II四者底端端面皆對齊在支撐臺臺面上。活塞止口件呈環狀，套在活塞銷孔內座片I、活塞銷孔內座片II、活塞裙部片I、活塞裙部片II、活塞內模中心件五者組合在一起的整體外側，座落在活塞銷孔內座片I、活塞銷孔內座片II、活塞裙部片I、活塞裙部片II四者液壓連接件支撐面上。相對于豎向四棱錐柱中心線的“雙道凹槽凸榫軌道”是一條斜線。所以活塞內模中心件從豎直方向向下抽動時，活塞裙部片I、活塞裙部片II被迫同時作向內、向下兩個分運動，這也就保護了型腔內鑄件內表面壁上鑄就的制造廠標記文字。當活塞裙部片I、活塞裙部片II、活塞內模中心件三者向下從型腔內抽出后，活塞銷孔內座片I、活塞銷孔內座片II皆在水平方向上單獨向內運動完成脫模。

2.2 內模組件原有技術

內模、銷孔模皆依靠組裝在內部水冷卻系統作熱傳遞完成冷卻任務。但因各種因素，行業內使用的內模水冷系統多采用銅焊固定密封，或壓迫密封，不方便拆卸清除深孔水垢，其冷卻效果差，由水冷卻效果決定著的鑄造精度也跟著不理想。活塞內模中心件上的“雙道凹槽凸榫軌道”，行業內采用銑床加工，其精度差，易磨損，凹槽凸榫軌道配合面質量不穩定。

2.3 內模組件技術改進方案

本技術將提供一種能大幅度提升輕量化鋁活塞鑄造質量的內模組件改進技術，其目的在于改善內模水冷卻效果不佳的問題，制作出活塞內模中心件可方便拆卸水冷卻系統，提高水冷效果。改善活塞內模中心件“雙道凹槽凸榫軌道”的制作精度，從整體提高活塞裙部的鑄造精度。

四棱錐柱與支撐臺之間通過帶弦切面的螺栓緊固相連;所述帶弦切面的螺栓帶螺栓側孔和螺栓末端端面孔與螺栓側孔連通。螺栓弦切面供回流水流動。螺栓側孔則是進水必經處，流進的水從螺栓末端端面孔流出。帶弦切面的螺栓沿著中心線從支撐臺中心孔穿出，深入至四棱錐柱將四棱錐柱與支撐臺連接為一體。冷卻水從支撐臺側面孔，依序經過螺栓側孔、螺栓末端端面孔到達長銅管內部從末端口流出。流出的水從四棱錐柱深孔側壁吸收熱量。吸收熱量后的水沿著螺栓弦切面流動，從支撐臺側面孔II流出。在水不斷流動的過程中，存儲在鑄料中的熱量沿徑向穿過內模側壁流動至四棱錐柱深孔側面并降低鑄料的溫度。當溫度降到預設的溫度時，即可按常規操作脫內模。長銅管插入在四棱錐柱深孔內。長銅管內是進水的通道，四棱錐柱深孔與長銅管外表面之間的空腔為回流水的通道。長銅管末端距離四棱錐柱深孔底面有2～5毫米的距離。活塞內模中心件徑向小，四棱錐柱深孔直徑只能做到8毫米，使用中深孔內極易因水垢而堵塞，故需要定期清除水垢。四棱錐柱與支撐臺之間連接采用帶弦切面的螺栓緊固，能夠快速旋拆下來，滿足了定期清除水垢的需要，以防堵塞[1]。

為了提高四棱錐柱前、后兩棱面雙道凹槽凸榫軌道連接的精度，將四棱錐柱與支撐臺分開加工，可以先制作活塞裙部片I、四棱錐柱、活塞裙部片II組合在一起的整體件，然后經一次性線切割分離得到活塞裙部片I、四棱錐柱、活塞裙部片II。它們之間的連接是面接觸，軌道連接的整個側面也就是雙道凹槽凸榫軌道面。這使四棱錐柱與活塞裙部片之間的軌道連接精度達0.1毫米。原有技術中四棱錐柱與支撐臺的連接是一體化連接，雙道凹槽軌道只能采用銑床加工，公差有0.5毫米。

所以，內模組件技術的改進大幅度提高了活塞裙部片與活塞內模中心件之間連接的精度。因接觸更緊密，熱傳遞效果更好，也就增強了活塞內模中心件水冷卻能夠帶來的鑄造效果。水路注暢直通活塞內模中心件，內模沿著中心線各處的徑向，皆360度具有相同相近的熱傳遞冷卻效率，這使鑄造中形成活塞側壁的澆料具有相同相近的熱力學性能，冷卻過程可控，為改進其它性能打下基礎[2]。

2.4 內模組件圖解說明示意圖

圖中1是活塞內模中心件液壓牽引連接件，5是活塞止口件，7、15是活塞銷孔內座片I、II，9、13是活塞裙部片I、II，11是活塞內模中心件。

圖中1是活塞內模中心件液壓牽引連接件，16是支撐臺，17是棱面軌道凹槽，19是四棱錐柱，21是支撐臺中心孔，23、25是支撐臺側面孔I、II。

圖5、圖6是帶弦切面的螺栓西南、東南視角結構示意圖。

圖中27是螺栓弦切面，29是螺栓末端端面孔，圖中31是螺栓側孔。

圖7是長銅管結構示意圖。圖中33是螺紋。圖8是活塞內模中心件、支撐臺側面剖面圖。

圖8中34是帶弦切面的螺栓，16是支撐臺，19是四棱錐柱，35是長銅管。

3 外模、滑塊模、銷孔模組件技術改進

3.1 外模、滑塊模、銷孔模組件工作原理

外模I和外模II限定在操作臺臺面上運動，組模時兩者拼合在一起。拼合面是垂直分型面。外模I、滑塊模I、銷孔模I組合在一起，滑塊模I帶有供銷孔模I的銷柱穿過的銷柱孔I;帶有由銷孔模I的水平圓桿作進退運動進而帶動滑塊模I升降的圓桿縫隙軌道;還帶有在外模I內腔中作線性滑動用的斜柱體I。滑塊模I由壓塊架I封閉在外模I腔內，壓塊架I則通過緊固件同外模I表面固定;斜柱體I被限制在相間又相互平行的外模I腔內的斜面和壓塊架I上的斜面共同組成的斜面滑槽中滑動。銷孔模I置于同外模I外側固定的托軌I上。

滑塊模II、銷孔模II、外模II、固定托軌II同上。

滑塊模、銷孔模相對于外模的運動過程是：銷孔模置于托軌確定的水平面上，將銷孔模的水平圓桿推進壓塊架的窗口，入圓桿縫隙軌道。圓桿縫隙軌道由下坡段和水平段依序銜接而成。水平圓桿在下坡段，滑塊模在緩慢向前運動中上升;在水平段，滑塊模上的銷柱孔同銷孔模的銷柱高度平齊，水平圓桿繼續向前運動，銷柱則穿過銷柱孔直到深入到型腔內部為止。澆鑄期間，銷孔模由外部液壓缸的活塞桿推動并保持一定的壓力。脫模時，液壓缸的活塞桿反向運動，銷孔模沿著托軌從外模腔中向外運動，銷孔模的銷柱先后從型腔內鑄件銷孔、銷柱孔中抽出，銷孔模的水平圓桿從圓桿縫隙軌道的水平段轉到上坡段，滑塊模在斜面滑槽中滑下，重心被迫下移，滑塊模上的輕量化凸起從型腔內鑄件凹坑中撥出。最后將銷孔模、滑塊模抽推至初始位置完成脫模工序。

生產中最大的問題是滑塊模在高溫中作業，一個工作日要靠銷孔模上下反復推送數千次，因接觸面快速磨損，造成滑塊模推送不到位，鑄造尺寸不穩定，滑塊模下降脫離鑄件不流暢、不穩定，導致鑄造面拉毛。

3.2 外模、滑塊模、銷孔模組件原有技術

原設計脫模時，銷孔模從外模腔中向外抽出運動時底部懸空無托軌，銷孔模運動中會產生側擺;銷孔模上部懸空無T型導軌，銷孔模因自重，重心被迫下移，在液壓機構牽引銷孔模運動中同軌道線性方向正交的其他方向作用力引起位移，對滑塊模運動產生了干擾，讓整個銷孔模在線性軌道上無法作一個方向的平移運動。增加了非正常的各類的摩損。滑塊模下降脫離鑄件不穩定，導致滑塊模上的輕量化凸起從型腔內鑄件凹坑中撥出不流暢，鑄造面產生拉毛現象。滑塊模在斜面滑槽中滑動，需要保留斜柱體同外模腔內的斜面、壓塊架上的斜面之間至少0.2毫米的公差;這使滑塊模在型腔徑向有一定的幅度繞著水平圓桿轉動;銷孔模端頭因無銷柱孔下部壓塊設計，無法阻止了滑塊模推到位后繞著水平圓桿的轉動，造成同批次產品中滑塊模所涉徑向鑄件厚度上的薄厚差。

3.3 外模、滑塊模、銷孔模組件技術改進方案

本技術將提供一種大幅度提升輕量化鋁活塞鑄造精度的模具組件改進技術，其目的在于改善滑塊模磨損狀況，解決滑塊模推送不到位，鑄造尺寸不穩定（穩定期短）的問題，從整體上提高活塞鑄造精度。

銷孔模的前端上有銷柱、下有水平圓桿，又需要將銷柱從外部穿過外模壁至型腔內作為型芯使用，所以銷孔模通常制作出來會是一個高、窄、長的物體。直桿與通槽的配合，防止了銷孔模在運動中會繞著上部作兩側擺動的運動。在銷孔模上部設計T型導軌槽，外腔體內上部設計T型導軌，T型導軌槽套在T型導軌上[3]。T型導軌槽和T型導軌共同組成線性軌道，防止了銷孔模在運動中出現顛簸。此外，線性軌道還承受銷孔模在運動中的全部重量。所以相比原托軌承受全部重量，本技術已將銷孔模的重量轉移至由外模空腔的上部承受。因外模的質量遠大于托軌的質量，有鑒于慣性的作用，抗顛簸性能比起下部懸空的原托軌有實質上的改善或提高。也因撤銷了銷孔模在托軌上的重力作用，才避免了銷孔模在運動中因重力作用引起的機械抖動從托軌根部傳播至同托軌根部相固定的壓塊架，最后由壓塊架將抖動傳播給滑塊模;也才避免了這種抖動經銷孔模長徑放大后由水平圓桿直接攪擾滑塊模，有效避免了脫模時鑄件表面的拉毛現象。

在銷孔模銷柱的根部正下方設計銷柱孔下部壓塊，銷孔模在軌道上推到位后，銷柱孔下部壓塊直接抵壓在滑塊模上的銷柱孔下部。滑塊模通過斜柱體在斜面滑槽中上、下滑動實現自由升降，技術上要求槽與斜柱體之間保留一定的公差，不然因阻力大而無法滑動。因為存在這種公差，現行銷孔模推到位后只能使水平圓桿保持靜止，但滑塊模I仍然能繞著水平圓桿轉動。因此現行銷孔模I實際上沒能將滑塊模I完全固定，是松動的。水平圓桿在圓桿縫隙軌道內以及銷柱孔下部壓塊直接抵壓在滑塊模I上，使用了兩個作用點將滑塊模緊固，這樣就阻止了滑塊模的平動和轉動，自然也就直接阻止了型腔在澆鑄中因鑄液充盈引起的滑塊模向外作的徑向運動，提高了鑄件側壁厚度的鑄造精度[4]。

使用時，由液壓缸機構的推桿同銷孔模后端相連并使銷孔模的水平圓桿、T型導軌槽、直桿分別同圓桿縫隙軌道、T型導軌、通槽相配合。銷孔模受推運動時，水平圓桿在圓桿縫隙軌道下坡段運動，滑塊模的斜柱體在斜面滑槽中向上滑動，滑塊模向前、向上運動。水平圓桿在圓桿縫隙軌道水平段運動，滑塊模停止向前、向上運動。銷孔模繼續向前運動，銷柱正對銷柱孔并穿過銷柱孔直至伸入進型腔內;到水平圓桿在圓桿縫隙軌道水平段末端，銷柱孔下部壓塊抵在銷柱孔下部，銷孔模運動停止。液壓缸機構保持壓力至澆鑄后的脫模工序。脫模時，由液壓缸機構牽引著銷孔模后退。其過程是先后從澆鑄件毛坯活塞銷孔、銷柱孔內抽出銷柱，接著滑塊模緩慢后退，退中有下降。滑塊模回復到初始狀態時，停止液壓缸機構的牽引，完成脫模工序。

3.4 本技術相比原有技術具有如下優點

銷孔模是高、窄、長的物體，底部直桿伸入到托軌沿著中心線開的通槽中，阻止了銷孔模運動中繞著上部的側擺;上部鑲套入T型導軌，由外模承受銷孔模重力的全部作用，消除了銷孔模重力對滑塊模運動的干擾;T型導軌是長軌道，同時也阻止了銷孔模前后繞著質心轉動的可能。有效防止了液壓機構牽引銷孔模運動中同軌道線性方向正交的其他方向作用力引起的位移，讓整個銷孔模在線性軌道上作一個方向的平移運動。有效地避免了非正常的各類的摩損。T型導軌在外模腔內，運動中銷孔模同外模結合在一起，質量大，抗顛簸性能大大增強。

滑塊模在斜面滑槽中滑動，需要保留斜柱體同外模腔內的斜面、壓塊架上的斜面之間至少0.2毫米的公差;這使滑塊模在型腔徑向有一定的幅度繞著水平圓桿轉動;銷孔模端頭設立銷柱孔下部壓塊，精確地阻止了滑塊模推到位后繞著水平圓桿的轉動;提高了生產中滑塊模所涉徑向鑄件厚度上的精度。

3.5 外模、滑塊模、銷孔模組件圖解說明示意圖

圖中41是銷孔模I，42是托軌I，43是壓塊架I，44是滑塊模I，45是外模I，46是內模，47是外模II，48是滑塊模II，49是壓塊架II，50是托軌II，51是銷孔模II，52是上模。

圖中61是水平圓桿，63是銷柱，65是冷卻水出口，67是冷卻水入口。

圖中69是技術改進后的T型導軌槽，73是技術改進后的銷柱孔下部壓塊，71是技術改進后的直桿。

圖12是滑塊模I結構示意圖。圖中75是圓桿縫隙軌道，77是斜柱體，79是銷柱孔。

圖13是圖12滑塊模I另一方向看到的示意圖。

圖中79是銷柱孔，81是銷柱孔下部，83是輕量化凸起。

圖14是壓塊架I的結構示意圖，圖中85是壓塊架上的斜面。

圖15是技術改進后增加的T型導軌結構示意圖。

圖16是技術改進后增加的托軌I結構示意圖，圖中87是通槽。

4 結語

經過一年的實踐證明，整體一次性線切割加工分離的四棱錐柱前、后棱面上雙道凹槽凸榫軌道加工精度高，脫模流暢，活塞鑄造內表面分模面清晰無飛邊，整體改善活塞內部鑄造效果。帶弦切面的可拆卸通水螺栓，方便定期清除四棱錐柱深孔內水垢，改善內模水冷效果，大幅度提升鋁活塞鑄造內組織結構質量。高精度的銷孔模軌道裝置精確推動滑塊模并阻止到位后滑塊模平動和轉動，皆使現有牽引功率得以全部集中在有效的運動上，消除了非正常的各類磨損，輕量

化活塞鑄造精度全面提升，鑄件的成品率從80%提到96%;也因消除了各類非正常的磨損，一副模具可鑄造的總數從15萬左右提高到30余萬，生產力大幅提升的同時，也取得了很好的經濟效果。

參考文獻

[1] 劉朝福.模具設計實訓指導書.清華大學出版社，2010.

[2] 關月華.壓鑄成型工藝與模具設計.電子工業出版社，2013.

[3] 張金鳳.模具材料與熱處理.機械工業出版社，2010

[4] 李殿中，李依依.鑄造原理.科學出版社，2011.