鋁活塞鑄造缺陷分析改進

■ 王云峰，王劍，李曉婧，鄧士東，商玉猛，高青

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活塞是發(fā)動機的核心部件，在缸體內(nèi)的工作環(huán)境十分惡劣。隨著汽車性能的提高，對活塞的要求也越來越高。為了達到活塞耐高溫、耐磨損等性能，活塞廠家會采用基于阿爾芬法的活塞環(huán)槽鑲奧氏體耐磨鑲?cè)夹g(shù)。活塞環(huán)槽鑲耐磨鑲?cè)?，不僅可以提高活塞的耐磨性，還可以延長活塞的使用壽命。當(dāng)鑄造條件不當(dāng)時，活塞鋁基體和鑄鐵鑲?cè)Y(jié)合層會產(chǎn)生氧化皮、夾渣等鑄造缺陷，嚴(yán)重時會導(dǎo)致活塞開裂。由于活塞鑲環(huán)工藝要求嚴(yán)格，鑲環(huán)廢品率過高是活塞生產(chǎn)廠家的一個難題。鑲?cè)θ毕蓦m然可以通過超聲波無損檢測出來，但從鑄造源頭降低廢品率才是解決問題的根本。

1. 生產(chǎn)現(xiàn)狀

BH1303-1活塞是我公司為某汽車廠設(shè)計研發(fā)的一款重點柴油機產(chǎn)品。該產(chǎn)品頂部鑲耐磨鑲?cè)?，且?guī)в袃?nèi)冷油道，采用我公司自主研發(fā)的QZ180A全自動鑄造機生產(chǎn)，工藝穩(wěn)定性強，生產(chǎn)效率高。該產(chǎn)品廢品率一直在10%以上，由于供貨量大，鑄造廢品給我公司帶來了很大的經(jīng)濟損失，同時對我公司的計劃排產(chǎn)也造成了很多困擾，因此我們針對該產(chǎn)品進行重點改進。

2. 廢品統(tǒng)計分析

（1）通過統(tǒng)計，2017年上半年共生產(chǎn)BH1303-1活塞50058只，產(chǎn)生鑄造廢品6570只，鑄造廢品率高達13.12%（見表1）。

（2）鑲環(huán)鋁活塞的鑄造廢品類型主要有鑲環(huán)廢品、夾渣和縮松等。針對BH1303-1產(chǎn)品的鑄造廢品類型進行統(tǒng)計分析（見表2），鑲環(huán)廢品占整個鑄造廢品的88%，因此降低鑲環(huán)廢品率是解決BH1303-1活塞鑄造廢品率過高的關(guān)鍵。

3. 原因分析

鑲環(huán)廢品一般有環(huán)下氧化皮、滲環(huán)不合格、滲鋁層斷裂幾種形式。為確定具體的環(huán)廢形式，我們把耐磨鑲?cè)膹U品活塞上破壞剝離下來進行觀察。共取10只活塞進行破壞性試驗，發(fā)現(xiàn)全部為環(huán)下氧化皮廢品（見圖1），并且氧化皮全部都在位于澆道同一側(cè)（圖1中a側(cè)）的同一位置區(qū)域內(nèi)。在傾轉(zhuǎn)澆注時，鑲?cè)側(cè)最先接觸到鋁液，即最先接觸到鋁液表面的氧化物。根據(jù)試驗結(jié)果，氧化皮固定出現(xiàn)在偏離ab中心線的固定區(qū)域c內(nèi)，說明澆注過程中c處的鋁液沖刷效果不好。

表1 BH1303-1活塞鑄造廢品統(tǒng)計

表2 BH1303-1活塞鑄造廢品類型統(tǒng)計

側(cè)注式澆注系統(tǒng)在活塞上應(yīng)用較為廣泛，當(dāng)個別活塞長徑比較大時，傳統(tǒng)的開放式澆注系統(tǒng)鋁液對鑲環(huán)沖刷力偏弱，會造成鑲環(huán)無損檢測廢品較高。將目前使用的傳統(tǒng)澆注系統(tǒng)建立3D模型，導(dǎo)入MAGMA軟件進行鑄造模擬分析（見圖2）。通過對澆注模擬過程反復(fù)觀察分析發(fā)現(xiàn)：活塞澆注系統(tǒng)內(nèi)澆道的流速取決于壓頭的大小。當(dāng)澆注量小時，現(xiàn)有的開放式澆注系統(tǒng)由于澆注時間比較短，整個澆注過程中鋁液流速變化不明顯；當(dāng)澆注量大時，澆注時間相對增加，特別是在澆注后期，隨著模具型腔內(nèi)外液位差逐漸降低，壓頭越來越小，鋁液流速就會變慢。鋁液沒有充足的動力源，一旦液面上氧化薄膜黏附在鑲環(huán)上，不容易被沖刷下來，從而產(chǎn)生環(huán)下氧化皮廢品。

4. 制訂措施及實施

圖1 環(huán)下氧化皮

為防止鑲環(huán)氧化皮廢品，鋁液在澆注過程中要保證有足夠的壓頭和盡可能快的澆注速度。理論上分析，增加動力源與型腔之間的高度位置差，可以加大壓頭，增加澆注速度。但是從實踐中發(fā)現(xiàn)，動力源過高，澆注鋁液流速快，鋁液的表面張力就不能約束液流，鋁液在澆注過程中不能保持平穩(wěn)充型，會將空氣中的氧氣卷入鋁液中，氧氣與鋁液反應(yīng)生成氧化物。在平穩(wěn)澆注時，鋁液外表致密的氧化層會隔絕氧氣，保護鋁液內(nèi)部不被氧化。

保持原有的澆口杯高度不變，在之前側(cè)式縫隙澆注系統(tǒng)（見圖3）的基礎(chǔ)上，我們更改了橫澆道與內(nèi)澆道和直澆道的結(jié)合方式，橫澆道下移形成了類似底注的側(cè)式澆注系統(tǒng)（見圖4）。直澆道與橫澆道采用圓滑過渡，結(jié)合目前使用的自動傾轉(zhuǎn)澆注工藝可以最大限度地保持鋁液的平穩(wěn)充型。

將更改后的模具結(jié)構(gòu)進行鑄造過程模擬，發(fā)現(xiàn)澆注過程鋁液流向與之前產(chǎn)生環(huán)下氧化皮位置區(qū)域重合（見圖5），因此更改后澆注鋁液對鑲?cè)Φ臎_刷效果較好。

5. 改進效果

圖2 側(cè)注式充型模擬

將更改后的模具進行試驗生產(chǎn)，我們?nèi)?0個活塞進行破壞性試驗，未發(fā)現(xiàn)環(huán)下氧化皮廢品。經(jīng)過幾次小批量生產(chǎn)驗證后，鑄造廢品率較之前有明顯降低。因此我們將更改后的模具用于批量生產(chǎn)。

經(jīng)過統(tǒng)計，2017年下半年共生產(chǎn)BH1303-1活塞63450只，共產(chǎn)生料廢3742只，鑄造綜合廢品率5.9%，其中鑲環(huán)廢品率大幅降低，改進效果明顯。

6. 結(jié)語

本文只是針對BH1303-1活塞分析了鑄造缺陷的產(chǎn)生原因及應(yīng)對措施，并提供了解決問題的思路。合理的澆注系統(tǒng)不僅可以保證鑄件的內(nèi)在質(zhì)量，還可以提高鋁液的鑄件出品率和生產(chǎn)效率，產(chǎn)生的經(jīng)濟效益十分顯著。

圖3 更改前澆注系統(tǒng)

圖4 更改后澆注系統(tǒng)

圖5 鋁液粒子追蹤

在實際生產(chǎn)中，活塞結(jié)構(gòu)種類繁多，鑄造缺陷更加復(fù)雜。只要基于活塞的鑄造原理，從工藝、模具、過程控制出發(fā)，不難找出鑄造缺陷的主要成因。再用模擬軟件輔助，通過現(xiàn)場試驗改進，可最終解決問題。