談汽車鋁活塞銷座縮松缺陷消除

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摘要：部分汽車鋁活塞的銷座下方被設計的非常厚大，成為孤立的熱節，往往容易出現縮松缺陷，縮松嚴重的將影響鋁活塞銷座的強度，從而削弱其承載能力。對厚大銷座鋁活塞在銷座下方部位縮松產生的原因以及解決方法進行了詳細的研究探討，在不改變產品結構、基本不增加材料消耗甚至減少消耗的前提下，通過對鑄件局部結構的鑄造工藝進行創新性的改進，從而徹底地消除了該缺陷。

關鍵詞：鋁活塞；銷座；縮松

鋁活塞是汽車發動機的關鍵運動件，在發動機的運行過程中，高速運轉的活塞承受著非常高的并且是交變的熱負荷和機械負荷，其產品質量直接影響到發動機的可靠性。鋁活塞的設計更多的是考慮使用性能，為了提高銷座下方的承載能力，有的鋁活塞就采用了厚大的銷座下方的結構設計（見圖1），厚大銷座是相對于普通銷座（見圖2）而言的。厚大銷座鋁活塞的結構設計，使得厚大的銷座下方成為了孤立的熱節，將產品的鑄造工藝性變差，該處遠離冒口不易補縮，最容易出現縮松，給鑄造過程的質量保證帶來了許多困難，縮松嚴重的有可能影響到鋁活塞銷孔座處的強度，從而削弱銷座下方的承載能力。

1鑄造工藝分析

為了提高生產效率、降低生產成本，對于鋁合金等輕金屬鑄件生產，通常采用金屬型重力鑄造。根據鋁活塞外輪廓類似于圓桶形這一特點（見圖3），為了方便操作，通常采用垂直分型的方式，以垂直于活塞銷孔方向的活塞軸向剖面為分型面。澆注位置有多種選擇，根據分型方式，考慮到澆注的平穩性，通常采用側面澆注的縫隙式內澆口。鑄造工藝方案按照鑄模的開模方式最常見的是：上抽芯鑄造工藝（簡稱：上抽芯）和下抽芯鑄造工藝（簡稱：下抽芯）。上抽芯是在鋁活塞鑄造成形時，將活塞最厚大的頭部朝下放置，向上抽取型芯，工藝只能設置邊冒口，鑄造質量不穩定、工藝出品率低。下抽芯與上抽芯相反，在鋁活塞鑄造成形時，將活塞頭部朝上放置，向下抽取型芯，這種工藝可以在活塞最厚大的頭部設置頂冒口，工藝出品率高、產品質量好，是目前最為常見的鑄造工藝，且鑄造設備種類比較豐富、價格適中[1，2]。由于技術、經濟等方面的原因，長期以來，我國鋁活塞行業一直沿用手工操作的上抽芯工藝。采用上抽芯工藝生產時，鋁活塞鑄件最厚大的頭部在下，鑄造過程中溫度場的分布是由下而上溫度遞減，如果不設冒口或者冒口設置的不恰當，鑄件容易產生縮松和縮孔，這時產品的質量不容易保證。為了消除鑄件的縮松、縮孔等缺陷，確保產品的鑄造質量，工藝設計時就要設置較大的單邊冒口或雙邊冒口，上抽芯工藝鑄件的工藝出品率低，通常在35%～60%，即冒口的重量是成品活塞重量的1～2.5倍。對于具有厚大銷座結構的鋁活塞，由于此處的熱節是孤立的，為了確保產品的鑄造質量，傳統的工藝設計是要設置較大的雙邊冒口并加冒口補貼。這樣不但降低了鑄件的工藝出品率低（僅35%～45%），同時還導致鑄件喪失了圓度，變成了不規則的橢圓形，給后邊的機械加工帶來了極大的不便。厚大銷座鋁活塞與普通銷座鋁活塞相比冒口約大了一倍。上抽芯冒口補貼示意見圖4。

2鑄造工藝改進

2.1下抽芯工藝

為了提高鋁活塞鑄造工藝水平，提高鑄造質量、降低消耗，下抽芯工藝在鋁活塞行業得到了快速發展。采用下抽芯工藝生產時，鋁活塞鑄件的厚度是下薄上厚，即熱節在上，鑄造過程中溫度場的分布由下而上溫度漸高，有利于實現由下而上的順序凝固，這時冒口的設置十分便利，可以將冒口直接放置在熱節處，鑄件的工藝出品率高。采用頂部保溫冒口技術時，鑄件的工藝出品率可達80%～85%。但是對于厚大銷座結構的鋁活塞，也是在此處存在孤立的熱節，為了確保產品的鑄造質量，同樣在工藝設計時也是要增設單邊或雙邊冒口并加冒口補貼，冒口的尺寸比上抽芯的要小一些，冒口補貼幾乎相同，這時鑄件的質量穩定性得到了提高，但卻降低了鑄件的工藝出品率（約55%～65%），并且鑄件也喪失了圓度，影響毛坯機加工時的裝夾。厚大銷座鋁活塞與普通銷座鋁活塞相比冒口大了約兩倍，與上抽芯工藝相比冒口減小了約一倍。下抽芯冒口補貼示意見圖5。

2.2下抽芯工藝的改進

針對上述鋁活塞鑄造工藝設計的不足，為了達到減小邊冒口，甚至取消邊冒口、冒口補貼的目的，對這類鑄件的鑄造工藝性進行了優化改進，將圓形的銷孔改為扁圓形，將銷座下端孤立的熱節處與上端聯通，使得鑄件銷孔上的鋁液可對銷孔座下端處進行補縮，從而達到減小邊冒口、甚至取消單邊或雙邊冒口及冒口補貼的目的，提高鑄件的工藝出品率。在改進工藝設計時僅設置了頂冒口和邊澆道。多個品種活塞的長期生產實踐證明，改進后生產的產品鑄造質量很好且非常穩定，達到了取消邊冒口和冒口補貼的目的，鑄件的工藝出品率由55%～65%提高到80%以上，大大降低了材料消耗，與普通銷座鋁活塞的鑄件的工藝出品率基本相當，并且使橢圓形的鑄件恢復成了圓柱形，僅僅增加了銷孔局部的粗加工余量，極大地方便了機械加工的生產。改進后的下抽芯工藝示意見圖6。

3結語

厚大銷座鋁活塞極易在銷座下方產生縮松缺陷，本次對厚大銷座鋁活塞鑄造工藝的改進，僅僅對產品的鑄造工藝性進行了微調，取消了邊冒口及冒口補貼，鑄件的工藝出品率由55%～65%提高到80%以上，在減少材料消耗的前提下提高了產品的鑄造質量，取得了非常好的效果。

參考文獻：

[1]丁蘇沛，康敬樂，史學謙，等.GIS鋁合金罐體的鑄造技術[J].中國鑄造裝備與技術,2011(1):8-12.

[2]朱利民.汽車鋁活塞下抽芯鑄造工藝設計[J].熱加工工藝,2007(17):83-85.

作者：朱禎 朱利民 單位：濱州渤海活塞有限公司