消除活塞銷座上方孔洞缺陷的研究

丁明祝，林 娜，臧 倩，卜現(xiàn)文

（山東雙港活塞有限公司，山東日照 276800）

發(fā)動(dòng)機(jī)用鑄造鋁活塞集中性孔洞，特別是銷座上方厚大部位因?yàn)槭湛s形成的孔洞缺陷（如圖1）一直是困擾著活塞鑄造企業(yè)的一個(gè)難題。如何有效解決這一難題，使活塞集中性孔洞達(dá)到不低于4級的國標(biāo)要求[1]，是活塞鑄造企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。由于活塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)涉及的因素很多，在無法依靠改變產(chǎn)品結(jié)構(gòu)來消除孔洞缺陷的情況下，如果仍采用傳統(tǒng)的上抽芯鑄造方式，無法避免縮松孔洞。而要解決這個(gè)問題，就需要打破傳統(tǒng)，從模具設(shè)計(jì)和鑄造工藝方面入手[2]，來尋求解決方法。

圖1 銷座上方縮松孔洞

1 方案的制定

首先，根據(jù)不同產(chǎn)品的內(nèi)部構(gòu)造情況，利用CAD鑄造模擬軟件分析鑄件的溫度場分布，找出熱節(jié)點(diǎn)[3，4]。然后根據(jù)熱節(jié)點(diǎn)的情況進(jìn)行分類，對孔洞缺陷不太嚴(yán)重的產(chǎn)品，在模具設(shè)計(jì)制作時(shí)，適當(dāng)強(qiáng)化該部位的冷卻、控制涂料的噴涂即可。而對孔洞嚴(yán)重的產(chǎn)品可以從以下幾個(gè)方面來解決。

1.1 設(shè)計(jì)底保溫冒口模具

在傳統(tǒng)的手工、半自動(dòng)上抽芯模具的底芯上開一個(gè)底保溫冒口，以減緩頭部的冷卻速度，利用底保溫冒口對銷座上方厚大部位進(jìn)行補(bǔ)縮，達(dá)到消除縮松孔洞缺陷的目的。底芯不能再按照傳統(tǒng)方式進(jìn)行冷卻，而是要加強(qiáng)保溫。模具結(jié)構(gòu)及毛坯如圖2、圖3.

如果活塞頂面是不帶燃燒室的，或者雖然帶燃燒室，但是可以經(jīng)過后期加工出來，就可以采用這種模具設(shè)計(jì)方案。如果產(chǎn)品頂面的燃燒室不能機(jī)械加工，要求直接鑄出，并且位置與冒口有沖突，孔洞問題就無法用此種方法解決。

該方案比較適合解決缸徑較小的，銷座上方有縮松孔洞缺陷的普通產(chǎn)品鑄造問題。只是由于增加了底保溫冒口，延緩了毛坯的冷卻速度，會影響鑄坯的效率。

圖2 底保溫模具

圖3 底保溫模具毛坯

1.2 設(shè)計(jì)、制作翻轉(zhuǎn)模具

翻轉(zhuǎn)模具構(gòu)造跟手工模具基本一樣，只是將底芯模改為頂模，在頂模上開設(shè)冒口；固定的底板改為可以翻轉(zhuǎn)的，將模具固定在可以翻轉(zhuǎn)的底板上；澆注方向跟手工模具的澆注相反，跟下抽芯模具相同[5，6]。

總體說，翻轉(zhuǎn)模具的設(shè)計(jì)原理跟下抽芯模具的設(shè)計(jì)原理一樣，只是操作起來麻煩一些，效率低一些。但是優(yōu)點(diǎn)就是投資少，不需要購置下抽芯鑄造機(jī)；模具制作簡單，制作周期短。模具的結(jié)構(gòu)及毛坯如圖4、圖5.

圖4 翻轉(zhuǎn)模具

圖5 翻轉(zhuǎn)模毛坯

該方案比較適合缸徑較大的產(chǎn)品小批量生產(chǎn)或樣品試制時(shí)（包括普通產(chǎn)品和帶耐磨圈、鋼片、鹽芯的高檔產(chǎn)品）銷座上方縮松孔洞問題的解決。

1.3 設(shè)計(jì)下抽芯模具

如果配備下抽芯鑄造機(jī)，就可以制作下抽芯模具，使活塞毛坯從下向上，從壁薄處向壁厚處實(shí)現(xiàn)順序凝固，同時(shí)利用頂部冒口對最后凝固的部位進(jìn)行補(bǔ)縮，避免縮松孔洞的出現(xiàn)[7]，是目前解決孔洞問題比較好的方案，只是設(shè)備一次性投資相對大一些。但是生產(chǎn)效率可以大大提高，工人勞動(dòng)強(qiáng)度降低。現(xiàn)在已得到了眾多活塞生產(chǎn)廠家的普遍認(rèn)可。模具結(jié)構(gòu)及毛坯如圖6、圖7.

圖6 雙腔下抽芯模具和鑄機(jī)

圖7 雙腔下抽芯模具毛坯

現(xiàn)有的下抽芯鑄造機(jī)分為單腔、雙腔，甚至是四腔。構(gòu)造方式分為地坑式和無地坑式。

1.4 設(shè)計(jì)銷座偏轉(zhuǎn)模具

在普通手工模具的基礎(chǔ)上，將內(nèi)芯的裝配方向偏轉(zhuǎn)30°～45°，在澆口對面開一個(gè)補(bǔ)縮冒口，使一側(cè)銷座靠近澆口，另一側(cè)靠近對面的冒口，利用澆口和冒口對兩個(gè)銷座根部進(jìn)行補(bǔ)縮，可以達(dá)到消除銷座根部縮松孔洞的問題。此類模具要考慮分模、圓弧制作不應(yīng)影響開模操作，圓弧不能固定住，應(yīng)做成活的。模具結(jié)構(gòu)及毛坯如圖8、圖9.

圖8 銷座偏轉(zhuǎn)模具

圖9 銷座偏轉(zhuǎn)模具毛坯

此種方案適合解決活塞內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無法制作鑄造機(jī)模具，同時(shí)燃燒室可以不用加工而直接鑄出的產(chǎn)品的縮松孔洞問題。不足之處就是工藝出品率低，生產(chǎn)效率低。

1.5 設(shè)計(jì)水平抽芯模具

模具橫向放置，外模向上、向下兩個(gè)方向開合，頂模、內(nèi)芯水平開合，一側(cè)銷座在下端，一側(cè)銷座在上端，下端的銷座利用澆口進(jìn)行補(bǔ)縮，上端銷座利用上方的冒口補(bǔ)縮。這是一種全新的模具設(shè)計(jì)方案，雖然某些方面還存在一定的欠缺，但是對解決銷座孔洞問題非常有效，尤其是對燃燒室不允許加工而要求直接鑄出的產(chǎn)品，更是可行。這樣的鑄造機(jī)設(shè)計(jì)和布局可以充分利用車間空間，維修件全部處于易操作位置，更加便于設(shè)備的維護(hù)和檢修。

此方案在一些活塞廠家已經(jīng)開始應(yīng)用，各廠家可以根據(jù)自己的情況進(jìn)行嘗試。

2 結(jié) 論

以上五種方案分別從投資大小、生產(chǎn)效率、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工藝出品率等幾個(gè)方面進(jìn)行對比、分析，并最終達(dá)到以下目的：

1）可以滿足不同資源配置的活塞廠家解決縮松孔洞問題的需求。

2）可以滿足不同產(chǎn)品結(jié)構(gòu)類型的活塞孔洞問題的解決。

3）可以從根本上消除銷座孔洞問題，達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量要求，孔洞等級達(dá)到2級以上。

不同廠家可以根據(jù)各自的資源配備情況、產(chǎn)品種類、批量大小等，選擇適合自己的解決方案。

［1］全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.Q C/T 553-2008.汽車、摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)鑄造鋁活塞金相檢驗(yàn)［S］.北京：中國計(jì)劃出版社，2008.

［2］北京：中國計(jì)劃出版社,劉伏梅.鑄造鋁活塞縮孔和縮松產(chǎn)生與防治［J］.內(nèi)燃機(jī)配件，1999（5）：19-23.

［3］侯華，毛紅奎，張國偉.鑄造過程的計(jì)算機(jī)模擬［M］.第1版.北京：國防工業(yè)出版社，2008.

［4］廖敦明.鑄造工藝CAD二次開發(fā)技術(shù)與應(yīng)用［J］.鑄造，2010（12）：1307-1310.

［5］陳維建.用翻轉(zhuǎn)模具鑄造鋁活塞［J］.中國科技信息，2010（10）:130-131.

［6］縱榮榮，李輝.翻轉(zhuǎn)式鋁活塞下抽芯鑄造工藝設(shè)計(jì)［J］.中國鑄造裝備與技術(shù)，2009（5）:36-39.

［7］劉達(dá)利，齊丕驤.新型鋁活塞［M］.第1版.北京：國防工業(yè)出版社，1999：117-139.