汽車鋁活塞銷座縮松缺陷的消除

朱禎，朱利民

(濱州渤海活塞有限公司，山東濱州 256602)

鋁活塞是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)件，在發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，高速運(yùn)轉(zhuǎn)的活塞承受著非常高的并且是交變的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷，其產(chǎn)品質(zhì)量直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性。鋁活塞的設(shè)計(jì)更多的是考慮使用性能，為了提高銷座下方的承載能力，有的鋁活塞就采用了厚大的銷座下方的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖1），厚大銷座是相對(duì)于普通銷座（見(jiàn)圖2）而言的。厚大銷座鋁活塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得厚大的銷座下方成為了孤立的熱節(jié)，將產(chǎn)品的鑄造工藝性變差，該處遠(yuǎn)離冒口不易補(bǔ)縮，最容易出現(xiàn)縮松，給鑄造過(guò)程的質(zhì)量保證帶來(lái)了許多困難，縮松嚴(yán)重的有可能影響到鋁活塞銷孔座處的強(qiáng)度，從而削弱銷座下方的承載能力。

圖1 厚大銷座鋁活塞局部圖片

圖2 普通銷座鋁活塞局部圖片

1 鑄造工藝分析

為了提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，對(duì)于鋁合金等輕金屬鑄件生產(chǎn)，通常采用金屬型重力鑄造。根據(jù)鋁活塞外輪廓類似于圓桶形這一特點(diǎn)（見(jiàn)圖3），為了方便操作，通常采用垂直分型的方式，以垂直于活塞銷孔方向的活塞軸向剖面為分型面。澆注位置有多種選擇，根據(jù)分型方式，考慮到澆注的平穩(wěn)性，通常采用側(cè)面澆注的縫隙式內(nèi)澆口。鑄造工藝方案按照鑄模的開(kāi)模方式最常見(jiàn)的是：上抽芯鑄造工藝（簡(jiǎn)稱：上抽芯）和下抽芯鑄造工藝（簡(jiǎn)稱：下抽芯）。上抽芯是在鋁活塞鑄造成形時(shí)，將活塞最厚大的頭部朝下放置，向上抽取型芯，工藝只能設(shè)置邊冒口，鑄造質(zhì)量不穩(wěn)定、工藝出品率低。下抽芯與上抽芯相反，在鋁活塞鑄造成形時(shí)，將活塞頭部朝上放置，向下抽取型芯，這種工藝可以在活塞最厚大的頭部設(shè)置頂冒口，工藝出品率高、產(chǎn)品質(zhì)量好，是目前最為常見(jiàn)的鑄造工藝，且鑄造設(shè)備種類比較豐富、價(jià)格適中[1，2]。

圖3 普通鋁活塞的外輪廓圖

由于技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面的原因，長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)鋁活塞行業(yè)一直沿用手工操作的上抽芯工藝。采用上抽芯工藝生產(chǎn)時(shí)，鋁活塞鑄件最厚大的頭部在下，鑄造過(guò)程中溫度場(chǎng)的分布是由下而上溫度遞減，如果不設(shè)冒口或者冒口設(shè)置的不恰當(dāng)，鑄件容易產(chǎn)生縮松和縮孔，這時(shí)產(chǎn)品的質(zhì)量不容易保證。為了消除鑄件的縮松、縮孔等缺陷，確保產(chǎn)品的鑄造質(zhì)量，工藝設(shè)計(jì)時(shí)就要設(shè)置較大的單邊冒口或雙邊冒口，上抽芯工藝鑄件的工藝出品率低，通常在35%～60%，即冒口的重量是成品活塞重量的1～2.5倍。對(duì)于具有厚大銷座結(jié)構(gòu)的鋁活塞，由于此處的熱節(jié)是孤立的，為了確保產(chǎn)品的鑄造質(zhì)量，傳統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)是要設(shè)置較大的雙邊冒口并加冒口補(bǔ)貼。這樣不但降低了鑄件的工藝出品率低（僅35%～45%），同時(shí)還導(dǎo)致鑄件喪失了圓度，變成了不規(guī)則的橢圓形，給后邊的機(jī)械加工帶來(lái)了極大的不便。厚大銷座鋁活塞與普通銷座鋁活塞相比冒口約大了一倍。上抽芯冒口補(bǔ)貼示意見(jiàn)圖4。

2 鑄造工藝改進(jìn)

2.1 下抽芯工藝

為了提高鋁活塞鑄造工藝水平，提高鑄造質(zhì)量、降低消耗，下抽芯工藝在鋁活塞行業(yè)得到了快速發(fā)展。采用下抽芯工藝生產(chǎn)時(shí)，鋁活塞鑄件的厚度是下薄上厚，即熱節(jié)在上，鑄造過(guò)程中溫度場(chǎng)的分布由下而上溫度漸高，有利于實(shí)現(xiàn)由下而上的順序凝固，這時(shí)冒口的設(shè)置十分便利，可以將冒口直接放置在熱節(jié)處，鑄件的工藝出品率高。采用頂部保溫冒口技術(shù)時(shí)，鑄件的工藝出品率可達(dá)80%～85%。但是對(duì)于厚大銷座結(jié)構(gòu)的鋁活塞，也是在此處存在孤立的熱節(jié)，為了確保產(chǎn)品的鑄造質(zhì)量，同樣在工藝設(shè)計(jì)時(shí)也是要增設(shè)單邊或雙邊冒口并加冒口補(bǔ)貼，冒口的尺寸比上抽芯的要小一些，冒口補(bǔ)貼幾乎相同，這時(shí)鑄件的質(zhì)量穩(wěn)定性得到了提高，但卻降低了鑄件的工藝出品率（約55%～65%），并且鑄件也喪失了圓度，影響毛坯機(jī)加工時(shí)的裝夾。厚大銷座鋁活塞與普通銷座鋁活塞相比冒口大了約兩倍，與上抽芯工藝相比冒口減小了約一倍。下抽芯冒口補(bǔ)貼示意見(jiàn)圖5。

2.2 下抽芯工藝的改進(jìn)

圖4 上抽芯工藝示意圖

圖5 下抽芯工藝示意圖

圖6 改進(jìn)后下抽芯工藝示意圖

針對(duì)上述鋁活塞鑄造工藝設(shè)計(jì)的不足，為了達(dá)到減小邊冒口，甚至取消邊冒口、冒口補(bǔ)貼的目的，對(duì)這類鑄件的鑄造工藝性進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，將圓形的銷孔改為扁圓形，將銷座下端孤立的熱節(jié)處與上端聯(lián)通，使得鑄件銷孔上的鋁液可對(duì)銷孔座下端處進(jìn)行補(bǔ)縮，從而達(dá)到減小邊冒口、甚至取消單邊或雙邊冒口及冒口補(bǔ)貼的目的，提高鑄件的工藝出品率。在改進(jìn)工藝設(shè)計(jì)時(shí)僅設(shè)置了頂冒口和邊澆道。多個(gè)品種活塞的長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐證明，改進(jìn)后生產(chǎn)的產(chǎn)品鑄造質(zhì)量很好且非常穩(wěn)定，達(dá)到了取消邊冒口和冒口補(bǔ)貼的目的，鑄件的工藝出品率由55%～65%提高到80%以上，大大降低了材料消耗，與普通銷座鋁活塞的鑄件的工藝出品率基本相當(dāng)，并且使橢圓形的鑄件恢復(fù)成了圓柱形，僅僅增加了銷孔局部的粗加工余量，極大地方便了機(jī)械加工的生產(chǎn)。改進(jìn)后的下抽芯工藝示意見(jiàn)圖6。

3 結(jié)語(yǔ)

厚大銷座鋁活塞極易在銷座下方產(chǎn)生縮松缺陷，本次對(duì)厚大銷座鋁活塞鑄造工藝的改進(jìn)，僅僅對(duì)產(chǎn)品的鑄造工藝性進(jìn)行了微調(diào)，取消了邊冒口及冒口補(bǔ)貼，鑄件的工藝出品率由55%～65%提高到80%以上，在減少材料消耗的前提下提高了產(chǎn)品的鑄造質(zhì)量，取得了非常好的效果。