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

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。