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汽车铝活塞销座缩松缺陷的消除

2020-12-03朱祯朱利民

中国铸造装备与技术 2020年6期
关键词:销孔冒口铸件

朱祯,朱利民

(滨州渤海活塞有限公司,山东滨州 256602)

铝活塞是汽车发动机的关键运动件,在发动机的运行过程中,高速运转的活塞承受着非常高的并且是交变的热负荷和机械负荷,其产品质量直接影响到发动机的可靠性。铝活塞的设计更多的是考虑使用性能,为了提高销座下方的承载能力,有的铝活塞就采用了厚大的销座下方的结构设计(见图1),厚大销座是相对于普通销座(见图2)而言的。厚大销座铝活塞的结构设计,使得厚大的销座下方成为了孤立的热节,将产品的铸造工艺性变差,该处远离冒口不易补缩,最容易出现缩松,给铸造过程的质量保证带来了许多困难,缩松严重的有可能影响到铝活塞销孔座处的强度,从而削弱销座下方的承载能力。

图1 厚大销座铝活塞局部图片

图2 普通销座铝活塞局部图片

1 铸造工艺分析

为了提高生产效率、降低生产成本,对于铝合金等轻金属铸件生产,通常采用金属型重力铸造。根据铝活塞外轮廓类似于圆桶形这一特点(见图3),为了方便操作,通常采用垂直分型的方式,以垂直于活塞销孔方向的活塞轴向剖面为分型面。浇注位置有多种选择,根据分型方式,考虑到浇注的平稳性,通常采用侧面浇注的缝隙式内浇口。铸造工艺方案按照铸模的开模方式最常见的是:上抽芯铸造工艺(简称:上抽芯)和下抽芯铸造工艺(简称:下抽芯)。上抽芯是在铝活塞铸造成形时,将活塞最厚大的头部朝下放置,向上抽取型芯,工艺只能设置边冒口,铸造质量不稳定、工艺出品率低。下抽芯与上抽芯相反,在铝活塞铸造成形时,将活塞头部朝上放置,向下抽取型芯,这种工艺可以在活塞最厚大的头部设置顶冒口,工艺出品率高、产品质量好,是目前最为常见的铸造工艺,且铸造设备种类比较丰富、价格适中[1,2]。

图3 普通铝活塞的外轮廓图

由于技术、经济等方面的原因,长期以来,我国铝活塞行业一直沿用手工操作的上抽芯工艺。采用上抽芯工艺生产时,铝活塞铸件最厚大的头部在下,铸造过程中温度场的分布是由下而上温度递减,如果不设冒口或者冒口设置的不恰当,铸件容易产生缩松和缩孔,这时产品的质量不容易保证。为了消除铸件的缩松、缩孔等缺陷,确保产品的铸造质量,工艺设计时就要设置较大的单边冒口或双边冒口,上抽芯工艺铸件的工艺出品率低,通常在35%~60%,即冒口的重量是成品活塞重量的1~2.5倍。对于具有厚大销座结构的铝活塞,由于此处的热节是孤立的,为了确保产品的铸造质量,传统的工艺设计是要设置较大的双边冒口并加冒口补贴。这样不但降低了铸件的工艺出品率低(仅35%~45%),同时还导致铸件丧失了圆度,变成了不规则的椭圆形,给后边的机械加工带来了极大的不便。厚大销座铝活塞与普通销座铝活塞相比冒口约大了一倍。上抽芯冒口补贴示意见图4。

2 铸造工艺改进

2.1 下抽芯工艺

为了提高铝活塞铸造工艺水平,提高铸造质量、降低消耗,下抽芯工艺在铝活塞行业得到了快速发展。采用下抽芯工艺生产时,铝活塞铸件的厚度是下薄上厚,即热节在上,铸造过程中温度场的分布由下而上温度渐高,有利于实现由下而上的顺序凝固,这时冒口的设置十分便利,可以将冒口直接放置在热节处,铸件的工艺出品率高。采用顶部保温冒口技术时,铸件的工艺出品率可达80%~85%。但是对于厚大销座结构的铝活塞,也是在此处存在孤立的热节,为了确保产品的铸造质量,同样在工艺设计时也是要增设单边或双边冒口并加冒口补贴,冒口的尺寸比上抽芯的要小一些,冒口补贴几乎相同,这时铸件的质量稳定性得到了提高,但却降低了铸件的工艺出品率(约55%~65%),并且铸件也丧失了圆度,影响毛坯机加工时的装夹。厚大销座铝活塞与普通销座铝活塞相比冒口大了约两倍,与上抽芯工艺相比冒口减小了约一倍。下抽芯冒口补贴示意见图5。

2.2 下抽芯工艺的改进

图4 上抽芯工艺示意图

图5 下抽芯工艺示意图

图6 改进后下抽芯工艺示意图

针对上述铝活塞铸造工艺设计的不足,为了达到减小边冒口,甚至取消边冒口、冒口补贴的目的,对这类铸件的铸造工艺性进行了优化改进,将圆形的销孔改为扁圆形,将销座下端孤立的热节处与上端联通,使得铸件销孔上的铝液可对销孔座下端处进行补缩,从而达到减小边冒口、甚至取消单边或双边冒口及冒口补贴的目的,提高铸件的工艺出品率。在改进工艺设计时仅设置了顶冒口和边浇道。多个品种活塞的长期生产实践证明,改进后生产的产品铸造质量很好且非常稳定,达到了取消边冒口和冒口补贴的目的,铸件的工艺出品率由55%~65%提高到80%以上,大大降低了材料消耗,与普通销座铝活塞的铸件的工艺出品率基本相当,并且使椭圆形的铸件恢复成了圆柱形,仅仅增加了销孔局部的粗加工余量,极大地方便了机械加工的生产。改进后的下抽芯工艺示意见图6。

3 结语

厚大销座铝活塞极易在销座下方产生缩松缺陷,本次对厚大销座铝活塞铸造工艺的改进,仅仅对产品的铸造工艺性进行了微调,取消了边冒口及冒口补贴,铸件的工艺出品率由55%~65%提高到80%以上,在减少材料消耗的前提下提高了产品的铸造质量,取得了非常好的效果。

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