活塞模具的工藝改進

■ 劉向芹

1. 概述

活塞是發動機的“心臟”，作為活塞加工的第一步，鑄造質量的好壞直接關系到活塞最終產品質量的結果，模具是活塞成形的前提和基礎，模具質量與活塞質量息息相關，模具的制造缺陷極易造成大批量活塞廢品損失。因此，控制活塞質量需從鑄造開始。

為滿足轎車活塞質量的嚴格要求，同時為改變傳統手工模具的工作方式，提高生產效率，我公司從德國引進了MG20鑄造機，主要用于生產轎車活塞。鑄造機經調試完成并進入正常生產后，一方面提高了工作效率，同時比手工模具鑄造的活塞毛坯廢品率也明顯降低。但經過一段時間的生產之后，發現該鑄造機生產的活塞毛坯質量問題主要出現在外圓縮松上，特別是銷座厚大處剖面縮松問題相對嚴重。

為保證產品質量，降低轎車活塞毛坯的廢品率，如何解決銷座厚大處剖面縮松問題就迫在眉睫。本文總結實際改進工作過程，對解決上述問題進行了詳細的探討，提出了切實可行的解決方案。

2. 縮松缺陷分析

在鑄造過程中，鋁活塞毛坯產生縮松的主要原因是鋁液的液態收縮值和凝固收縮值大于鑄件的固態收縮值而產生的，當鋁液澆滿模具體后，隨即發生液態收縮，當鑄件表面溫度下降到凝固溫度時，表層就凝固成一層硬殼，殼內的鋁液因溫度下降仍產生液態收縮，同時要對逐漸加厚的硬殼層凝固收縮進行補償，雖然固態硬殼因溫度降低而使鑄件外表尺寸縮小，但由于鋁液的液態收縮值和凝固收縮值大于鑄件的固態收縮值，所以無法平衡或自補實際收縮。隨著凝固過程的不斷進行，鋁液溫度不斷下降，硬殼不斷加厚，此時的鑄件厚大處已不能完全滿足補縮要求，在最后凝固的部位因無充分鋁液補縮而形成孔洞縮松。

3. 初次改進

按照傳統解決縮松問題的經驗，需要在鑄件厚大處增設冒口，按照遠離冒口的部分最先凝固，然后是靠近冒口的部分，最后是冒口本身凝固的次序進行，即在鑄件上建立一個遞增的溫度梯度，使鑄件形成順序凝固，將縮松問題體現在冒口內部，即可使縮松問題得到解決。

根據上述原理，初次改進是在該鑄造機模具的兩側銷座處各開了一個高500mm、直徑為290mm的冒口，通過冒口進行保溫，從而實現對厚大處進行補縮。經初次改進后鑄造的活塞毛坯件工藝如圖1所示。

經此次改進后，剖面縮松問題雖然得到了解決，但是在實際生產過程中發現，由于在銷座處開設了冒口，在保溫的同時也形成了熱節，同時由于兩側冒口的保溫套在使用過程中易破損，操作工需用石棉保溫材料涂抹進行修補，經多次涂抹修補后，自然造成了鋁液容量不足，于是出現了新的問題，活塞毛坯極易在銷座處的外圓或槽底產生分散性縮松，產品質量沒有得到根本控制，需要對其繼續進行改進。

4. 二次改進

通過對模具結構的認真分析，發現如果將該模具的兩側冒口合二為一，即將冒口開設在模具頂部，則冒口的保溫套就不容易破損，而銷座處的外圓產生的縮松主要原因是冷卻速度過慢，同時冒口內的鋁液沒有起到應有的補縮作用，無法對銷座進行有效補償，于是產生了銷座剖面縮松。為了實現銷座厚大處外圓快速冷卻的目的，需使用較模具鑄鋼熱導率大的物質來進行激冷。附表為幾種常見金屬的熱導率。

通過幾種金屬熱導率的對比，同時考慮經濟實用因素，且經過多次試驗，第二次改進中決定采用純銅塊鑲嵌在模具熱節處進行激冷，以提高熱節處的冷卻速度，加快銷座厚大處的冷卻，同時通過頂冒口內的鋁液對首先冷卻的銷座進行有效補償，從而消除銷座剖面縮松。

根據上述原理，從而形成了兩點新的改進方案。其一，在頂面燃燒室內按傳統的工藝方法在允許尺寸范圍內開設頂冒口，形成補縮源；其二，以純銅塊代替原銷座兩側的冒口，以強冷代替補償，在保證銷座厚大處外圓快冷的前提下，促使頂冒口內的鋁液對首先冷卻的銷座進行有效補償，形成通暢的補縮通道。二次改進后的活塞鑄件工藝如圖2所示。

5. 改進后效果

經過兩次改進后，首先進行了小批量試生產，鑄件通過多次宏觀檢查，未再發現縮松廢品，宏觀合格，質量穩定。同時，因改進后毛坯由兩側均有冒口改為頂部一個冒口，銑冒口工序的操作工藝也大幅簡化，且消除了銷座“側冒口根”殘余，為后期機加工生產中的裝夾帶來了方便，從而有利于減少機加工廢品。

圖1 初次改進后鑄件工藝

圖2 二次改進后鑄件工藝

幾種常見金屬的熱導率

6. 結語

通過改進后的德國MG20鑄造機模具，廢品率得到有效控制與降低，生產過程質量穩定，在提高生產效率的同時，降低了生產成本，改進效果明顯，同時對其他類似產品模具的改進提供了范例。