大型鋁合金活塞傾轉(zhuǎn)鑄造機(jī)輕量化設(shè)計(jì)與研制

王麗霞 宋文平 劉輝

(①濱州學(xué)院自動化系，山東濱州 256603;②山東濱州渤?；钊煞萦邢薰?，山東濱州 256602)

活塞作為發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵零件，其毛坯鑄造技術(shù)及設(shè)備都有專業(yè)化的特點(diǎn)。目前國內(nèi)外鋁合金活塞鑄造大多采用金屬型重力鑄造方式，即從金屬模具頂部設(shè)計(jì)的澆口澆鑄液態(tài)合金材料，利用重力，自上而下布滿整個模具型腔。模具組件由頂模、外模、內(nèi)芯、邊芯組成，通過各自的連接件和導(dǎo)向件安裝在工作臺上，在澆鑄時(shí)，活塞模具組件直立放置，模具的順序開合動作均由液壓原件及系統(tǒng)來完成。對于鑲?cè)Φ阮愋突钊?，為使?jié)茶T更加平穩(wěn)，減緩鋁液對模具及內(nèi)置件的沖擊，提高毛坯質(zhì)量，通常的做法是將工作臺設(shè)計(jì)成可傾轉(zhuǎn)模式，即在澆鑄鋁液之前，模具組件隨工作臺傾轉(zhuǎn)，與水平面之間形成20°～30°夾角。工作臺及所有附加在其上面的模具、驅(qū)動油缸、導(dǎo)向滑軌等組件通過對稱布置的傾轉(zhuǎn)裝置，安裝在以地腳螺栓固定的床身上。對于活塞直徑在200 mm以下的傾轉(zhuǎn)鑄造機(jī)，由于模具尺寸和驅(qū)動油缸規(guī)格不大，其工作臺和床身尺寸并不龐大，但對于直徑超過200 mm甚至達(dá)到300 mm的大型柴油機(jī)和船用活塞，其模具組件尺寸就達(dá)到了500 mm以上，外模油缸行程也在300 mm以上，如果仍按照上述傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)傾轉(zhuǎn)工作臺，那么工作臺的尺寸和重量都將十分龐大。為此，對于大型活塞鑄造機(jī)，如何減小工作臺的尺寸和重量，使結(jié)構(gòu)更加緊湊，從而提高效率，降低能耗，是我們研究的關(guān)鍵所在。

1 鑄造機(jī)整體布局設(shè)計(jì)

圖1所示為目前廣泛應(yīng)用的鋁合金活塞傾轉(zhuǎn)鑄造機(jī)整體布局圖，包括固定床身和傾轉(zhuǎn)部件，傾轉(zhuǎn)部件包括傾轉(zhuǎn)工作臺、外模機(jī)構(gòu)、頂模機(jī)構(gòu)、中芯機(jī)構(gòu)、邊芯機(jī)構(gòu)等，工作時(shí)由傾轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動隨工作臺一起傾轉(zhuǎn)20°～30°。按照上述方法設(shè)計(jì)，傾轉(zhuǎn)工作臺的尺寸就必須能容納下外模機(jī)構(gòu)、頂模機(jī)構(gòu)、中芯機(jī)構(gòu)、邊芯機(jī)構(gòu)等，如果模具尺寸增大，那么各機(jī)構(gòu)中負(fù)責(zé)完成開合模動作的油缸的行程與缸徑也必須加大才能夠保證正常使用，這樣傾轉(zhuǎn)工作臺的尺寸也會隨之變大。由圖1可知，影響傾轉(zhuǎn)工作臺尺寸的主要是外模油缸。外模油缸負(fù)責(zé)完成外模的開合模動作，分別安裝在傾轉(zhuǎn)工作臺的兩側(cè)，當(dāng)模具尺寸變大時(shí)，外模油缸的行程與缸徑也會變大，進(jìn)而使傾轉(zhuǎn)工作臺尺寸變大。按照圖1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的澆鑄直徑φ250 mm活塞的傾轉(zhuǎn)工作臺長度接近3.5 m，傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的重量超過7 500 kg，這勢必會給傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等零部件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)造成一定影響，消耗大量材料和動力。

圖2所示為我們針對直徑在200 mm以上大型鋁合金活塞毛坯鑄造設(shè)計(jì)的一種新型傾轉(zhuǎn)鑄造機(jī)三維軸測圖。具體結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括床身、外模油缸和傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)置于床身中，傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括傾轉(zhuǎn)裝置和傾轉(zhuǎn)工作臺，傾轉(zhuǎn)裝置和外模油缸都固定于床身上，外模油缸活塞桿穿過傾轉(zhuǎn)裝置與設(shè)于傾轉(zhuǎn)工作臺上部的外模連接裝置相連，內(nèi)置導(dǎo)向裝置對其進(jìn)行行程方向上的導(dǎo)向。

與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)不同的是，外模油缸不是安裝在工作臺上，而是固定安裝在床身上，不隨工作臺做傾轉(zhuǎn)運(yùn)動，因此外模油缸活塞桿必須通過特殊結(jié)構(gòu)，使其既能與設(shè)于傾轉(zhuǎn)工作臺上部的外模連接裝置相連，完成傾轉(zhuǎn)時(shí)的伸縮運(yùn)動，傳遞開合模的推力，又能不隨之發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。在設(shè)計(jì)時(shí)，我們將外模連接裝置的旋轉(zhuǎn)中心、傾轉(zhuǎn)工作臺的傾轉(zhuǎn)中心、傾轉(zhuǎn)裝置的旋轉(zhuǎn)中心與外模油缸活塞桿中心同軸，這樣保證了所有參與傾轉(zhuǎn)運(yùn)動的部件不會發(fā)生偏心運(yùn)動。由于傾轉(zhuǎn)工作臺傾轉(zhuǎn)時(shí)外模油缸固定不動，不參與傾轉(zhuǎn)，因此傾轉(zhuǎn)工作臺的尺寸就會因沒有安裝外模油缸而縮小，質(zhì)量也會減小。根據(jù)計(jì)算，與圖1的設(shè)計(jì)方法相比，本方案設(shè)計(jì)的傾轉(zhuǎn)工作臺的長度僅有1.6 m，縮短了54%，質(zhì)量降至4 300 kg，降低了43%。傾轉(zhuǎn)運(yùn)動所需油缸也由2個減至1個。經(jīng)計(jì)算傾轉(zhuǎn)工作臺的重心恰好位于傾轉(zhuǎn)裝置的回轉(zhuǎn)中心附近，這種結(jié)構(gòu)增加了傾轉(zhuǎn)時(shí)的穩(wěn)定性。

2 新型外模傾轉(zhuǎn)連接裝置的研發(fā)

新型外模連接裝置區(qū)別于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)是:解決了外模油缸5的活塞桿在傳遞推力的同時(shí)，能夠不隨傾轉(zhuǎn)工作臺3上的外模做傾轉(zhuǎn)運(yùn)動的問題。如圖4所示，外模連接裝置包括推力調(diào)心滾子軸承3、外模軸承座4和外模油缸連接軸5。外模油缸連接軸5設(shè)置于推力調(diào)心滾子軸承3內(nèi)，推力調(diào)心滾子軸承3設(shè)置于外模軸承座4內(nèi)。

新型傾轉(zhuǎn)裝置由兩個調(diào)心滾子軸承2來支撐工作臺并能圍繞空心軸回轉(zhuǎn)一定角度，外模油缸1通過外模油缸連接軸5和推力調(diào)心滾子軸承3與外模機(jī)構(gòu)連接。推力調(diào)心滾子軸承可承受雙向開合模的推力，因此，外模油缸活塞桿既傳遞了油缸推拉力，又在推力軸承和導(dǎo)向鍵的作用下，減小和約束了回轉(zhuǎn)摩擦力，因而不會轉(zhuǎn)動。

根據(jù)結(jié)構(gòu)要求，我們選擇型號為29420的推力調(diào)心滾子軸承，在5 MPa工作壓力下，以φ180 mm缸徑的外模油缸為例，其產(chǎn)生的合模推力P0約為12.7 kN，因?yàn)檩S承在工作載荷下不旋轉(zhuǎn)，只需校核其靜強(qiáng)度。此軸承基本額定載荷Ca為778 kN，C0a為2 343 kN，按軸承靜載荷承載能力需滿足C0≥S0P0，其中S0為軸承靜強(qiáng)度安全系數(shù)。由于鑄造機(jī)外模開合屬于沖擊及不均勻載荷，S0取值在1～1.5之間，我們?nèi)≈?.5，由此得出，S0P0=19.05 kN，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其靜強(qiáng)度要求的基本額定載荷。

3 結(jié)語

通過新型傾轉(zhuǎn)連接裝置的研發(fā)，解決了外模油缸與傾轉(zhuǎn)工作臺的分離運(yùn)動問題，是此類大型鑄造機(jī)輕量化設(shè)計(jì)的一次變革。以本設(shè)計(jì)為例，工作臺長度由傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的3.5 m縮短至1.6 m，傾轉(zhuǎn)重量由原來的7 500 kg，減小至4 300 kg，傾轉(zhuǎn)驅(qū)動也由兩個 φ150 mm缸徑的油缸減少為一個。這種新型的大型活塞傾轉(zhuǎn)鑄造機(jī)已成功地應(yīng)用于企業(yè)的出口產(chǎn)品毛坯生產(chǎn)，滿足了企業(yè)大型活塞毛坯機(jī)械化鑄造的生產(chǎn)要求，在提升了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的同時(shí)，節(jié)約了設(shè)備運(yùn)行能源損耗，為大型活塞乃至其它重力傾轉(zhuǎn)鑄造設(shè)備的設(shè)計(jì)提供了一條新的思路。

［1］朱利民.汽車鋁活塞鑄造機(jī)械化生產(chǎn)［J］.鑄造技術(shù)，2008(1).

［2］王計(jì)波，王玉霞，姚桂君，等.大型活塞澆鑄技術(shù)及裝備［J］.石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010(4).