鋁活塞內(nèi)冷油道氣窩缺陷淺析

■ 李占軍，閆汝輝，許海軍，鄧志陽，王云峰

1.概述

隨著發(fā)動機技術的迅速發(fā)展，高增壓發(fā)動機和高負荷柴油機越來越普遍，活塞作為發(fā)動機的核心部件，所承受的熱負荷和機械負荷大幅提高?；钊惺軣嶝摵傻奶岣邔е禄钊^部溫度升高，為加強對活塞的冷卻，降低活塞頭部溫度，在活塞頭部用水溶鹽芯鑄出冷卻油道成為必然選擇。

我公司鑄件毛坯生產(chǎn)全部采用金屬型重力鑄造，即鋁液在重力作用下澆入金屬型成形，含內(nèi)冷油道活塞毛坯生產(chǎn)過程復雜，在生產(chǎn)前需要分別準備鹽芯及模具，鹽芯生產(chǎn)與準備及模具準備過程如圖1所示。

含內(nèi)冷油道活塞毛坯鑄造過程中內(nèi)冷油道失效模式分為3類，分別是鹽芯變形導致內(nèi)冷油道變形、內(nèi)冷油道位置偏移及內(nèi)冷油道氣窩。其中內(nèi)冷油道氣窩失效所占內(nèi)冷油道活塞失效比例最大(見圖2)，是最致命的缺陷，產(chǎn)生的危害最大，內(nèi)冷油道氣窩失效會造成燃燒室穿頂，活塞斷裂破碎(見圖3)，導致發(fā)動機動力迅速下降甚至失去動力，對使用者的生命財產(chǎn)安全埋下巨大隱患。

鑒于內(nèi)冷油道氣窩失效造成的危害，有針對性地進行試驗并采取改進措施，減少內(nèi)冷油道氣窩缺陷的產(chǎn)生，避免存在內(nèi)冷油道氣窩缺陷的活塞交付給客戶是活塞制造企業(yè)急需解決的難題。

圖1 鹽芯生產(chǎn)與準備及模具準備過程

圖2 內(nèi)冷油道氣窩缺陷

圖3 內(nèi)冷油道氣窩導致活塞斷裂

2.內(nèi)冷油道氣窩缺陷產(chǎn)生原因分析

經(jīng)對內(nèi)冷油道活塞毛坯生產(chǎn)時氣體的來源進行分析，造成內(nèi)冷油道氣窩失效的原因大體存在以下5種：

（1）為使毛坯凝固后順利出模，防止毛坯內(nèi)冷油道出口部位刮鋁，保證內(nèi)冷油道位置尺寸，需對鹽芯支撐桿及模具配合部位涂刷石墨溶劑，涂刷石墨溶劑后在模具未充分預熱的情況下生產(chǎn)，澆注過程中石墨溶劑中的水分遇高溫鋁液形成氣泡附著在鹽芯上，在活塞油道內(nèi)形成氣窩缺陷。

（2）模具串水、鑄造機潤滑油等外來水源或油料源在澆注前或澆注時滴入型腔內(nèi)，遇高溫鋁液后生成氣體，隨鋁液上浮過程中遇到鹽芯阻礙后不能排出，黏附在鹽芯上，在內(nèi)冷油道部位形成氣窩缺陷。

（3）鹽芯燒結不徹底、預熱不充分，鹽芯本體內(nèi)含有水分，在高溫鋁液充型時水分從鹽芯內(nèi)被汽化出來形成氣泡，黏附在鹽芯表面，在內(nèi)冷油道形成氣窩缺陷。

（4）鹽芯在使用過程中受到污染，鹽芯表面存在水或油污，澆注過程中鹽芯表面的水或油污遇高溫鋁液汽化，在內(nèi)冷油道表面形成氣窩缺陷。

（5）模具型腔內(nèi)的氣體澆注時無法順利排出，堆積在鹽芯附近，鋁液凝固后在內(nèi)冷油道部位形成氣窩缺陷。

3. 氣窩缺陷產(chǎn)生原因試驗和模擬

對內(nèi)冷油道氣窩缺陷產(chǎn)生原因分別進行試驗和模擬，確定主要原因如下：

（1）在鹽芯支撐桿及模具配合部位涂刷石墨溶劑，并在模具未預熱情況下鑲嵌燒結、預熱充分的鹽芯后澆注生產(chǎn)，試驗生產(chǎn)10只毛坯，然后將毛坯切斷觀察內(nèi)冷油道表面質(zhì)量，其中 6只在支撐桿部位存在氣窩缺陷（見圖4）；為確認模具預熱充分與否是否是造成內(nèi)冷油道氣窩的原因，我們進行了對比試驗，即在鹽芯支撐桿及模具配合部位涂刷石墨溶劑后對模具充分預熱，生產(chǎn)10只毛坯后將毛坯切斷觀察內(nèi)冷油道表面質(zhì)量，模具充分預熱后生產(chǎn)的毛坯內(nèi)冷油道表面質(zhì)量良好，不存在氣窩缺陷(見圖5)。

經(jīng)過對比試驗發(fā)現(xiàn)模具預熱不充分會造成內(nèi)冷油道表面出現(xiàn)氣窩缺陷的概率增加，是造成內(nèi)冷油道氣窩缺陷的主要原因。

（2）在正常生產(chǎn)的模具型腔內(nèi)滴上水滴或油滴后進行澆注試驗，每次澆注鋁液前均在型腔內(nèi)滴上水滴或油滴，共試驗10只毛坯，然后將毛坯切斷觀察內(nèi)冷油道表面質(zhì)量，內(nèi)冷油道表面質(zhì)量良好，并未形成氣窩缺陷(見圖6)。

經(jīng)過試驗可以發(fā)現(xiàn)在模具正常生產(chǎn)時，型腔中滴入較少量的水或油不會造成內(nèi)冷油道氣窩缺陷，而型腔中的水或油較多時生產(chǎn)人員會及時發(fā)現(xiàn)并停止?jié)沧?，因此模具型腔?nèi)存在水滴或油滴不是產(chǎn)生內(nèi)冷油道氣窩缺陷的原因。

（3）針對鹽芯燒結不徹底、預熱不充分是否會造成內(nèi)冷油道氣窩缺陷進行如下試驗。

首先，取燒結徹底的鹽芯按照工藝要求預熱溫度預熱不同時間后分別澆注10只毛坯進行對比試驗，觀察鹽芯預熱情況對內(nèi)冷油道質(zhì)量的影響，試驗情況如表1所示。燒結鹽芯生產(chǎn)的毛坯如圖7所示。

其次，取未燒結的鹽芯按照工藝要求預熱溫度預熱不同時間后分別澆注10只毛坯進行對比試驗，觀察鹽芯預熱情況對內(nèi)冷油道質(zhì)量的影響，試驗情況如表2所示。未燒結鹽芯生產(chǎn)的毛坯如圖8所示。

通過試驗可以發(fā)現(xiàn)，鹽芯燒結不充分會造成內(nèi)冷油道嚴重氣窩缺陷，是內(nèi)冷油道氣窩缺陷產(chǎn)生的主要原因。在鹽芯燒結充分的情況下鹽芯即使預熱不充分也不會對內(nèi)冷油道質(zhì)量產(chǎn)生影響，鹽芯預熱充分與否不是內(nèi)冷油道氣窩產(chǎn)生的原因。

圖4 模具未預熱生產(chǎn)毛坯

圖5 模具充分預熱后生產(chǎn)毛坯

圖6 模具型腔滴水后生產(chǎn)毛坯

（4）在正常生產(chǎn)過程中，鹽芯自預熱爐取出后鑲入模具前在鹽芯表面滴水，將滴水鹽芯鑲入模具后澆注，試驗10只毛坯后將毛坯切斷觀察內(nèi)冷油道表面質(zhì)量，內(nèi)冷油道存在氣窩缺陷。

經(jīng)過試驗證明，鹽芯在使用過程中受到污染會對內(nèi)冷油道質(zhì)量產(chǎn)生重要影響，是造成內(nèi)冷油道氣窩缺陷的主要原因。鹽芯受污染后生產(chǎn)的毛坯如圖9所示。

（5）針對澆注過程中模具型腔中的氣體是否可以順利排出，以及型腔中的氣體是否會卷入鋁液中黏附在鹽芯表面形成內(nèi)冷油道氣窩缺陷，應用MAGMAsoft鑄造模擬分析軟件進行模擬分析（見圖10、圖11），并通過在模具不同部位增加排氣塞觀察其對內(nèi)冷油道氣窩缺陷的影響。

通過對比發(fā)現(xiàn)模具透氣性會對內(nèi)冷油道氣窩缺陷產(chǎn)生重要影響，是造成內(nèi)冷油道氣窩缺陷的主要原因。

表1

表2

圖7 燒結鹽芯生產(chǎn)毛坯

圖8 未燒結鹽芯生產(chǎn)毛坯

圖9 鹽芯受污染后生產(chǎn)毛坯

圖10 增加排氣塞前模擬分析結果

圖11 增加排氣塞后模擬分析結果

4.制訂改進措施并實施

（1）對澆注工藝進行調(diào)整，在澆注工藝中明確規(guī)定澆注模具預熱件數(shù)量為生產(chǎn)前澆注5只預熱件，避免因模具預熱不充分造成內(nèi)冷油道表面氣窩缺陷。

（2）對鹽芯燒結爐爐膛內(nèi)溫度進行檢測，確認鹽芯燒結溫度是否達到工藝要求，經(jīng)過檢測鹽芯燒結爐爐門位置燒結溫度較低，達不到鹽芯燒結溫度要求，為此在鹽芯燒結工藝中對鹽芯在燒結爐中的放置位置做出明確規(guī)定，要求鹽芯燒結時距離燒結爐爐門10cm以內(nèi)不得放置鹽芯。

（3）在澆注工藝中增加對鹽芯取放工具及鑲嵌工具表面清潔度要求，并規(guī)定取放鹽芯必須戴線手套，不能徒手摸鹽芯。

（4）對鹽芯支撐桿及模具進行修改，使用通孔鹽芯支撐桿（見圖12），在模具頂模增加氣塞孔，保證模具型腔中氣體順利排出模具。

（5）為防止內(nèi)冷油道存在氣窩缺陷產(chǎn)品交付客戶，制訂內(nèi)冷油道嗆孔檢測標樣（見圖13），并根據(jù)標樣使用超聲波檢測機對內(nèi)冷油道進行檢測。

5.效果檢查

改進措施實施后，內(nèi)冷油道氣窩廢品數(shù)量大幅下降，內(nèi)冷油道氣窩缺陷廢品占內(nèi)冷油道缺陷廢品的比例由80%下降至10%，內(nèi)冷油道缺陷廢品率由原來的3%以上降至1%以下，客戶反饋活塞穿頂問題明顯減少，由以前的每年10余起降至零。

圖12 通孔鹽芯支撐桿

圖13 嗆孔標樣

6.結語

（1）通過對內(nèi)冷油道氣窩缺陷進行原因分析，并對分析原因進行試驗和模擬，從而確定出造成內(nèi)冷油道氣窩缺陷產(chǎn)生的主要原因，針對主要原因采取改進措施，修訂生產(chǎn)工藝，有效減少了內(nèi)冷油道氣窩缺陷廢品的產(chǎn)生，降低了內(nèi)冷油道氣窩缺陷廢品率。

（2）通過采取措施對內(nèi)冷油道氣窩缺陷進行檢測，避免了存在內(nèi)冷油道氣窩缺陷產(chǎn)品交付給客戶，減少了客戶反饋，為公司贏得了良好聲譽。