鋁活塞針狀氣孔缺陷分析及改進(jìn)措施

段澤成 趙輝

濱州渤海活塞有限公司 山東 濱州 256600

1 活塞結(jié)構(gòu)分析

活塞分為頭部、裙部和活塞銷座三個(gè)部分。活塞頂部設(shè)有縮口型燃燒室，在環(huán)槽部安裝兩道氣環(huán)和一道油環(huán)。裙部起導(dǎo)向作用并承受側(cè)壓力，裙部截面形狀由原來的圓形逐步發(fā)展為現(xiàn)在的軸向中凸的橢圓形。銷座部安裝有活塞銷和擋圈。活塞頭部由活塞頂端和環(huán)槽兩部分組成。活塞頂端結(jié)構(gòu)取決于燃燒室的要求，有兩種形式。頂端多采用平頂或接近平頂設(shè)計(jì)，以減少活塞與高溫氣體間的接觸面積，均勻分布應(yīng)力。但有些發(fā)動(dòng)機(jī)為了混合氣形成的需要，將爆燃減少到最小程度，需要在活塞上設(shè)置一定深度的環(huán)槽作為燃燒室的一部分。環(huán)槽用于安裝活塞環(huán)，防止漏氣和防止機(jī)油進(jìn)入燃燒室。活塞銷座是活塞通過活塞銷與連桿連接的支承部分，位于活塞裙部的上方。高速發(fā)動(dòng)機(jī)活塞銷座孔不一定與活塞在同一中心線平面上，可向作功行程時(shí)活塞接觸缸壁的一側(cè)偏移，以減少活塞到上止點(diǎn)變換方向后敲擊缸壁時(shí)發(fā)出的噪聲。活塞裙部即活塞的下部分，是活塞的導(dǎo)向部分，使活塞在往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中盡量保持垂直。由于活塞工作于高溫、高壓的惡劣環(huán)境中，因此在工作過程中將產(chǎn)生熱變形和受力變形。原始的設(shè)計(jì)是將活塞裙部加工成圓柱形，由于熱變形的存在，經(jīng)常出現(xiàn)卡死的現(xiàn)象。為了避免這種卡死，應(yīng)當(dāng)將活塞加工成適當(dāng)?shù)男螤睿缘窒ぷ鲿r(shí)的熱變形。現(xiàn)代的活塞設(shè)計(jì)均為中凸變橢圓型面，即縱截面為中凸變橢圓型面，縱截面為中凸形、橫截面為橢圓且在不同裙高處橢圓逐漸變化的復(fù)雜空間曲面，把活塞設(shè)計(jì)成這種形狀，由工作時(shí)受熱和受力而產(chǎn)生的變形就可以沿著活塞銷軸方向擴(kuò)展，截面形狀由橢圓形向圓形逼近，使得活塞裙部與氣缸更好地接觸，獲得更理想的受力面，減小活塞對汽缸壁的沖擊，從而減小發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲。此外，活塞裙部與汽缸壁之間的油隙可以對活塞進(jìn)行潤滑，減小摩擦，改善活塞工作性能并延長活塞使用壽命。

2 鋁活塞制造工藝

某工廠鋁活塞主要制作流程為：先對鋁合金進(jìn)行熔煉，該環(huán)節(jié)主要包括：除氣處理、除渣處理、變質(zhì)處理等，然后在對其進(jìn)行低壓澆鑄。

3 鋁活塞針狀氣孔分析

3.1 針狀氣孔的危害

針狀氣孔減少了鑄件的有效截面積,且能使局部造成應(yīng)力集中,使金屬強(qiáng)度降低,同時(shí)也降低了活塞的疲勞強(qiáng)度,降低了活塞的使用壽命。

3.2 鋁活塞針狀氣孔的成因分析

經(jīng)過工作人員的研究分析，鋁活塞針狀氣孔形成的主要原因?yàn)椋海?）低壓坩堝中的鋁液存在氣體；（2）金屬在澆筑中，活塞的凝固順序是從上而下，并且在凝固過程中會(huì)產(chǎn)生一定的氣體匯集于銷孔位置，如果不能及時(shí)其減少排放，最終會(huì)在此處形成氣孔。通常來說，鋁合金中存在的主要?dú)怏w為氫氣，大約占據(jù)總量的85%，氫氣主要是鋁液和水產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)后所形成的產(chǎn)物，化學(xué)式為：在高溫條件下，Al+3/2H2O=1/2（OH）3（y-晶體）+3H（溶于鋁液）。鋁合金在大氣中進(jìn)行熔煉，會(huì)產(chǎn)生一定的氧化物，使得鋁液中的含氣量驟增。如果鋁合金熔煉時(shí)間越長且溫度較高，那么鋁液對氣體的需求量就越大。在研究中，鋁液中如果有氣體，就說明只具備了針孔形成的條件，對于是否形成針孔或者形成針孔的大小主要取決于鑄件在澆筑中的凝固作用以及凝固中鋁液的外部壓力。如果鑄件凝固速度越快，那么鋁液的外部壓力越大，就說明形成針狀氣孔的可能越小。在低壓鑄造中由于外部壓力較大，相對冷卻速度較快，可以有效減少氣孔的產(chǎn)生，需要注意是，如果氣體不能順利排出，那么就十分有可能在出現(xiàn)氣孔，因此，在實(shí)際應(yīng)用中工作人員可以采用涂料層蓄氣進(jìn)行排氣，主要是由于涂料層和金屬型相比具有良好的孔隙度，所以具有一定蓄氣和通氣能力。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，鋁活塞制造過程中銷孔出現(xiàn)針狀氣孔的主要原因是：（1）鋁合金的熔煉時(shí)間較長，并且熔煉溫度較高，鋁液中氧化物雜質(zhì)較多；（2）三元變質(zhì)過程中極易吸收水蒸氣，導(dǎo)致在三元進(jìn)行處理的時(shí)候鋁液中氣體含量較大；（3）澆筑工作中，空氣中的水漲氣和鋁液以及氧化雜質(zhì)容易出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致鋁液中氣體含量增加；（4）澆筑工作中，充型速率較快，導(dǎo)致鋁液的整體凝固時(shí)間減少，一些氣體不能及時(shí)排除，從而出現(xiàn)針狀氣孔；（5）澆筑工作中，在模具處理中涂料層的使用較少，不能及時(shí)吸收鋁液凝固時(shí)所產(chǎn)生的氣體，從而導(dǎo)致銷孔位置出現(xiàn)針狀氣孔。

4 活塞加工存在的問題

多年來，我國機(jī)床行業(yè)在活塞專用機(jī)床開發(fā)研制方面做了大量工作，但隨著汽車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)和活塞產(chǎn)品技術(shù)的迅速發(fā)展，仍需在活塞先進(jìn)制造技術(shù)及裝備方面加大研究開發(fā)力度，以適應(yīng)活塞制造業(yè)的發(fā)展。（1）高精度專用數(shù)控機(jī)床的研制。隨著數(shù)控技術(shù)的逐步發(fā)展，數(shù)控加工方法勢必會(huì)替代普通加工方法。活塞異形外圓數(shù)控車削刀具由微進(jìn)給機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，微進(jìn)給機(jī)構(gòu)的性能就決定了加工精度。活塞異形外圓加工精度要求不斷提高，對于微進(jìn)給機(jī)構(gòu)的性能要求隨之提高。除了精密微進(jìn)給機(jī)構(gòu)外，還需要精密控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。目前國內(nèi)使用的數(shù)控活塞加工車床多采用前饋控制，雖能取得較高的加工精度，但是其頻率特性識(shí)別存在誤差，難以進(jìn)一步提高加工精度。因此，需要研制精度更高的控制系統(tǒng)。（2）高精度靠模加工設(shè)備的研制。目前，在活塞生產(chǎn)線上大批量生產(chǎn)時(shí)，大多數(shù)中小企業(yè)仍然采用靠模加工方法。但是，活塞的加工精度很大程度上取決于靠模的精度，而我國的許多工廠仍然依靠數(shù)控磨床加工立體靠模，加工精度難以保障，加工效率較低。為了適應(yīng)目前國內(nèi)活塞生產(chǎn)的現(xiàn)狀，需要研制高精度的活塞靠模專用加工設(shè)備。

5 結(jié)語

新時(shí)代的發(fā)動(dòng)機(jī)朝著大功率、低油耗、低排放和長壽命的方向發(fā)展，活塞質(zhì)量的大小及好壞直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作質(zhì)量。綜上所述，鋁活塞對于我國制造行業(yè)的持續(xù)發(fā)展具有重要意義。銷孔位置的針狀氣孔是較為常見問題，對鋁活塞的質(zhì)量具有直接影響，在鋁活塞制造只有從實(shí)際情況出發(fā)，針對不同情況采取不同措施，才能更好的對針狀氣孔進(jìn)行有效處理，提高鋁活塞質(zhì)量。