一種能提升重型柴油機鋁活塞毛坯鑄造成品率的模具改進技術

朱榮華

摘要：重型柴油機鋁活塞同普通汽油機鋁活塞相比有許多不同，重型柴油機鋁活塞的重量是普通汽油機的5～8倍，為了提高耐磨性能，鑄造時需要在柴油機鋁活塞毛坯中鑲嵌合金耐磨圈。重型柴油機氣缸中燃燒產生的熱量非常高，需要對活塞進行強制冷卻，為此目的還需要在柴油機鋁活塞毛坯內部開設內冷油道。重型柴油機鋁活塞鑄造存在合金耐磨圈鑲嵌位置左右偏移、上下移位，與鋁合金結合面脫落。活塞鹽芯鑄造過程中存在安放位置上浮、開裂，與鋁合金結合面飛邊嚴重，鑄造成品率低等問題。針對重型柴油機鋁活塞難以做到高率、高成品率鑄造的問題，深入研究鑄造工藝與模具結構關系，多次鑄造實驗和探索，改進外模外形結構、加工工藝，改變芯模、鹽芯銷組件結構。獲得了一種能大幅度提升重型柴油機鋁活塞毛坯鑄造成品率的模具改進技術。

Abstract： There are many differences between heavy duty diesel engine aluminum piston and common gasoline engine aluminum piston. The weight of heavy duty diesel engine aluminum piston is 5 ～ 8 times of that of common gasoline engine. In order to improve the wear resistance， it is necessary to insert alloy wear ring in aluminum piston blank of diesel engine during casting. The heat produced by combustion in the cylinder of heavy duty diesel engine is very high， so the piston needs to be forced cooled. For this purpose， it is also necessary to set up an internal cooling oil channel inside the aluminum piston blank of the diesel engine. In heavy duty diesel engine aluminum piston casting， the inlaying position of alloy wear ring is shifted from left to right， up and down， and the joint surface with aluminum alloy falls off. There are some problems in the casting process of piston salt core， such as floating and cracking， serious flash on the joint surface with aluminum alloy， and low casting yield. In view of the problem that it is difficult to cast aluminum piston with high yield and high yield for heavy duty diesel engine， the relationship between casting process and die structure is studied in depth， casting experiments and exploration are carried out for many times to improve the external mold structure and processing technology， and to change the core mold and salt core pin assembly structure. A die improvement technology which can greatly improve the casting yield of heavy duty diesel engine aluminum piston blank was obtained.

關鍵詞：重型柴油機;鋁活塞;鑄造質量;成品率;技術改進

Key words： heavy duty diesel engine;aluminum piston;casting quality;yield;technical improvement

中圖分類號：TG233? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2020）20-0034-05

0? 引言

隨著各國基建、運輸要求的不斷提高，發動機功率、載荷越來越大。對重型柴油機鋁活塞質量提出了更高的要求，要求能夠滿足現代高速高負荷，大功率發動機的需要。重型柴油機活塞作為氣缸中往復運動最大的一個零部件，其工作條件嚴酷，強度最大，不僅承受著高的熱負荷、機械負荷和強烈的磨損，還經常處于潤滑不良、冷卻困難的極端境況，因而極易出現故障，直接影響整機的可靠性和耐久性。正因為如此，人們對成品重型柴油機活塞有著嚴苛的各種要求。重型柴油機鋁活塞毛坯鑄造過程在短時間內需經歷的步驟繁瑣復雜，影響質量的環節多，故而成品率很低。因此，重型柴油機鋁活塞毛坯具有鑄造成本高，利潤高，報廢率高，產量低“三高一低”的特點。各活塞生產廠家都期待獲得一種鑄造成品率高的模具組件。本改進技術的目的在于克服上述原有技術中的不足之處，供一種高效、穩定的，能提升重型柴油機鋁活塞毛坯鑄造成品率的模具改進技術。

1? 結構特點

重型柴油機鋁活塞的重量是普通汽油機的5-8倍，鑄造時會在內鑲嵌合金耐磨圈。為改善混合氣流動性能和燃燒性能，增大燃燒室的容積，增大壓縮比，活塞頂部燃燒室的凹坑一般都設計的大且深，燃燒過程產生的熱量非常高，需要對活塞進行強制冷卻，常在活塞的內設內冷油道（鑄造時鑲嵌鹽芯環，活塞冷卻后用水將鹽芯環沖出，從而形成內冷油道），油液在內冷油道內帶走活塞的熱量，降低活塞的溫度。柴油機活塞的頭部有3-5道環槽，上面2-3道用以安裝氣環，下面1-2道用以安裝油環。柴油機活塞的裙部受力較大，一般比較厚（5毫米以上）。現行重型柴油機鋁活塞鑄造模具由頂模、外模I、外模II、銷孔模I、銷孔模II、芯模、止口固定座五個組件組成。止口固定座固定在操作臺上，銷孔模I、銷孔模II分別插在外模I、外模II的銷孔中。而頂模、外模I、外模II、芯模則分別由安裝在操作臺及臺架上的數控液壓牽引機構從上、下、左、右四個方向牽引，通過這種牽引實現模具的自動組合和自動分離脫模。

2? 重型柴油機鋁活塞鑄造模具組件及活塞合金耐磨圈鑲嵌技術改進

2.1 重型柴油機鋁活塞鑄造模具組件與活塞合金耐磨圈鑲嵌工作原理

外模I和外模II限定在操作臺臺面上運動，組模時兩者拼合在一起，拼合面是垂直分型面。合金耐磨圈置于頂模和外模拼合成的環形空腔的支撐片上。頂模將合金耐磨圈壓住，澆鑄期間，頂模在上保持重力。脫模時，液壓缸的活塞桿反向運動，頂模從外模腔中向上運動，最后外模同銷孔模抽推至初始位置完成脫模工序。

2.2 重型柴油機鋁活塞鑄造模具組件與活塞合金耐磨圈鑲嵌原有技術

原有技術采用3對支撐片，外模半環形空腔和頂模半環形空腔中皆從本體延伸出三只均分于半環形空腔中的支撐片，作為支架使用，每對支撐片上、下對正，夾持耐磨圈。只要其中1對支撐片失去作用，耐磨圈在鑄液浮力及自身重力的作用下可以繞著另2對支撐片（2個點）確定的直線作微幅度旋轉。這種結構的缺點是：相同批次鑄造成品中存在合金耐磨圈鑲嵌位置橫向偏移。空腔中的支撐片，不可上下調節，由于鑄造精度要求很高，合金耐磨圈鑲嵌位置軸向超差0.2毫米，鑄造即為不合格。合金耐磨圈模具托架位置冷卻困難，造成合金耐磨圈鑲嵌位置熱收縮率計算、設計與實際偏差，鑲嵌部位與鋁合金結合面脫落等問題。

2.3 重型柴油機鋁活塞鑄造模具組件與活塞合金耐磨圈鑲嵌技術改進方案

重型柴油機鋁活塞鑄造中業內常采用三點鑲嵌定位合金耐磨圈，其實外模是左右分模，這個熱脹冷縮結構不合理，合金耐磨圈鑲嵌位置上下偏差超過0.2毫米，就算超差。因重型柴油機鋁活塞體型及結構的原因，很難解決活塞局部收縮率計算精準性的問題，合金耐磨圈鑲嵌位置熱收縮率計算、設計與實際結果常常偏差正負0.1-0.3毫米，活塞鑄造成型后耐磨圈鑲嵌位置上下偏差超過0.2毫米模具就需要返工。設計與實際超過0.2毫米模具就需要返工的問題長期困擾技術人員，以前的技術定位都是固定或鑲嵌的，返工相當麻煩，本技術就在模具組件上完美解決這個問題。

方案：設計獨立的合金耐磨圈柱面平底托盤，先根據科學公式和經驗，計算出收縮率理論數值，設計獨立的合金耐磨圈柱面平底托盤數值，在此數值基礎上柱面平底托盤與外模裝配高度再向上增加0.3毫米（根據收縮率計算和經驗，誤差可以控制在0.3毫米以內）。

如果試模后發現耐磨圈位置在0位（理論數值），那獨立的柱面平底托盤就不動，直接可以生產。

如果試模后發現耐磨圈位置比理論數值高（X）毫米，那就將獨立的柱面平底托盤拆卸下來，直接平面磨磨削掉（X）毫米，這樣就完美的解決收縮率難以精準計算的問題。[1]

2.4 本技術同原有技術相比具有如下優點

本技術采用4對支撐片，頂模耐磨圈半環形空腔、外模耐磨圈半環形空腔合攏時，通過4對支撐片共同將耐磨圈固定，根據3點確定一個平面原理，在澆鑄中4者之一失去作用皆有其余3對支撐片將耐磨圈環形中心線所處平面限定在水平面內，這就避免了因耐磨圈固定位置不穩定造成的鑄件報廢。同時，鋁液澆鑄過程中及澆鑄結束后的冷卻凝固過程，鑄液的流體力學、熱力學過程導致的變化過程復雜，在允許1對支撐片臨時失去作用的情況下，當耐磨圈試圖繞2對支撐片確立的直線旋轉時，第4對支撐片必然適時阻止此方向的旋轉而使耐磨圈處于其余3對支撐片（3個點）確立的平面上。所以，本技術采用4對支撐片，直接提高了置于模腔中耐磨圈的抗擾能力，提高了對澆鑄過程中的可控性，降低了報廢率，促成了成品率的提升。

本技術將外模耐磨圈半環形空腔從原有技術模本體中分離出來，制作成柱面平底托盤。柱面平底托盤由2個相同的半塊托盤拼合而成，每半塊托盤中的支撐片為2片，兩半塊托盤分別通過螺孔和螺絲緊固在外模I、外模II本體的平臺上。柱面平底托盤置于外模I、外模II本體的平臺上，從而通過磨去底面高底面可以實現參照鑄樣進行鑄件耐磨圈所處高度的微調，準確做到所設高度即為所得，獨立冷卻，解決鑄造成品耐磨圈與鋁合金結合面脫落問題，提高了對澆鑄過程中的可控性，降低了報廢率，促成了成品率的提升。[2]

圖1是頂模結構示意圖，圖1中1是均分于頂模耐磨圈半環形空腔中的支撐片。

圖2是柱面平底托盤結構示意圖。圖2中3是均分于外模耐磨圈半環形空腔中的支撐片。

圖3是去掉柱面平底托盤后的外模I、外模II結構示意圖。圖3中5是外模I、外模II本體的平臺。

圖4是外模I、外模II結構示意圖。圖4中7是半塊托盤I;9是外模I本體;11是外模II本體;13是半塊托盤II。

3? 重型柴油機鋁活塞鑄造模具組件中芯模和止口固定座技術改進

3.1 芯模和止口固定座工作原理

芯模在上述5個組件中作為下模使用。芯模從下方深入到外模I和外模II拼合在一起出現的型腔中。活塞止口固定座呈環狀，套在芯模外側，座落在芯模支撐面上，活塞芯模從豎直方向向下抽動完成脫模。

3.2 重型柴油機鋁活塞鑄造模具組件中芯模和止口固定座原有技術

芯模繞中軸旋轉鎖在液壓缸的活塞桿上，豎直向上推動，向下抽動，一個工作日要靠液壓缸反復推送數千次，芯模和活塞桿互鎖螺紋承受向上推動中芯模的全部重量，和向下抽動時鑄造冷卻收縮的阻力，芯模和活塞桿互鎖螺紋會因疲勞而磨損、爛牙，縮短芯模螺紋使用壽命，芯模因為是整體的，一旦安裝螺紋牙損損毀，整個芯模就要報廢。整體芯模因為要水冷，所以無排氣設計，鑄造冷卻時間長，鑄造時多處會產生冷隔，斷層或者中空、局部塌陷等現象。芯模和止口固定座上下抽動無設計導向滑軌，導向塊，因芯模重，液壓推動桿長，芯模從豎直方向，向上推動，向下抽動時，會偏擺，碰撞損傷，繞中軸線偏轉，鑄造定位差。

3.3 重型柴油機鋁活塞鑄造模具組件中芯模和止口固定座技術改進方案

將芯模水冷卻通道和芯模螺紋孔從原有技術模本體中分離出來，制作成配件階梯柱面芯軸。在階梯柱面芯軸外側面開軸向微形槽，用于排氣。階梯柱面芯軸嵌入在芯模本體沿芯模中心軸線開的芯模本體空腔通孔中通過芯軸法蘭和螺絲與芯模本體下部緊固。階梯柱面芯軸這種嵌入式通過法蘭緊固的結構，方便了更換和組裝。芯模螺紋孔若有損壞，可以只更換階梯柱面芯軸，而不用報廢整個芯模。階梯柱面芯軸上端與芯模本體空腔通孔內側壁緊密接觸，階梯柱面芯軸上端的軸向微形槽同芯模本體空腔通孔內表面結合形成排氣進口。排氣進口很小，不滲鑄液，芯模本體中部徑向開排氣出口并與芯模本體空腔通孔連通，階梯柱面芯軸階梯狀，上小下大，以使通過芯模本體空腔排氣。止口固定座套在芯模外，通過止口固定座軸向導向槽和芯模軸向導向塊同芯模連接。止口固定座軸向導向槽和芯模軸向導向塊組成線性軌道，確保芯模在組模和脫模過程作豎直方向運動的同時保持同止口固定座的同軸配合狀態。[3]

3.4 本技術同原有技術相比具有如下優點

芯模水冷卻通道和芯模螺紋孔從原有芯模本體一體連接中分離出來，被集中在階梯柱面芯軸內，而階梯柱面芯軸可單獨制作，作為一個不可少的芯模配件使用。因此可以根據生產中因頻繁裝卸引起的芯模螺紋螺牙損壞情況，配置2～3只階梯柱面芯軸，做到及時更換新螺牙。階梯柱面芯軸上部軸外側開8個0.2毫米獨立環形氣槽進行排氣，輕松解決了原有芯模本體中因沿著芯模軸向中心軸線在已開設水冷通道情況下卻很難再開設排氣通道的技術難題，避免了無芯模排氣通道造成的報廢。止口固定座設計中軸線導向滑軌，芯模設計中軸線導向塊，芯模在止口固定座中作線性軌道運動，芯模軸向導向塊限定在止口固定座軸向導向槽中滑動，芯模在豎直方向的運動平穩，克服了動力液桿推動作用力方向造成的芯模運動偏離造成的鑄件報廢。解決從豎直方向，向上推動向下抽動時會偏擺、碰撞損傷、定位差等問題，同時兼顧了安裝方向防錯裝置，以上改進極大的提高了重型柴油機鋁活塞鑄造的成品率。

圖5是芯模結構示意圖。圖5中15是鹽芯環環支桿I中心線孔，17是芯模本體空腔通孔，18是鹽芯環環支桿II中心線孔，19是排氣出口，21是芯模軸向導向塊，23是芯模本體，25是軸向微形槽，27是階梯柱面芯軸，29是芯軸法蘭。

4? 重型柴油機鋁活塞鑄造模具組件中鹽芯環鑲嵌技術的改進

4.1 重型柴油機鋁活塞鑄造模具組件中鹽芯環鑲嵌工作原理

芯模從下方深入到外模I和外模II拼合在一起出現的型腔中。止口固定座套在芯模外側，鹽芯環安放在芯模鹽芯環支桿托位上。芯模從豎直方向向下運動完成脫模，鹽芯環留在活塞毛坯中。在活塞毛坯冷卻后，用水將鹽芯環沖出，從而形成環形內冷油道。

4.2 重型柴油機鋁活塞鑄造模具組件中鹽芯環鑲嵌原有技術

原有技術中采用自上而下的銷釘固定方式將鹽芯環固定在芯模支桿弧形托位上，鹽芯環芯模支桿弧形托位弧形尺寸同鹽芯環設計圖紙尺寸一致。放置鹽芯環時R角結合面總是不貼切，活塞鹽芯環鑄造過程中存在安放位置上浮、隱形加熱開裂注鋁，（加力安放好后，未發現開裂，鑄造過程中開裂注鋁），安放位置結合面飛邊嚴重，鑄造成品率低，用水將銷釘沖出困難等問題。

4.3 重型柴油機鋁活塞鑄造模具組件中鹽芯環鑲嵌技術改進方案

設計鹽芯環環支桿中心通孔，中穿鋼絲，下端由螺絲緊固，上端露頭段用于銷入鹽芯環環通孔。鹽芯環環形中心線所處的平面被限定在與兩露頭段確定的豎直面相垂直的水平面上。芯模從豎直方向向下運動完成脫模的同時鋼絲脫離鹽芯環。

為尋找鹽芯環安裝結合面不貼切，隱形開裂，安放位置結合面飛邊嚴重，鑄造成品率低的問題。筆者通過長期，大批量測算不同批次的鹽芯環尺寸，得出4個結論：

①圓環狀的鹽芯環，內外直徑尺寸同設計圖紙基本一致，誤差在0.02-0.05毫米，不影響使用。

②鹽芯環安放位置R角中心距，同設計圖紙都存在0.1-0.3毫米差距，會影響使用。

③同一批次購買的鹽芯環R角中心距誤差基本都是一致的，但第二批次購買的鹽芯環R角中心距誤差，同上一批次購買的鹽芯環R角中心距誤差，又會不同。

④同樣的模具，不同批次購買的鹽芯環鑄造成品率相差很大。

原因：活塞內冷油道鑄造用鹽芯環是指以鹽為材料制成水溶性的鹽芯環。鑄造時，將鹽芯環放入活塞的模具中，以鹽芯環作為內冷油道的型芯。在活塞冷卻后，用水將鹽芯環沖出，從而形成環形內冷油道。所以活塞檢驗內冷油道，只檢驗圓環狀油道的內外直徑尺寸，成品活塞對R角中心距尺寸無太多要求。造成鹽芯環制造廠商在設計鹽芯環生產工藝時，只注意鹽芯環內外直徑尺寸的2次精加工，保證同設計圖紙一致。鹽芯環安放位置R角中心距尺寸在壓制燒結中直接成形不再2次加工，造成鹽芯環安放位置R角中心距實際尺寸同設計圖紙差距較大。

解決方案：設計芯模支桿弧形托位鹽芯環安放尺寸時，鹽芯環設計圖紙尺寸只做參考，將鹽芯環實物從中對半分開，送入投影儀測繪鹽芯環安放位置R角大小、形狀及中心距，然后設計芯模鹽芯環安放尺寸。如果芯模加工時鹽芯環實物未到位，參考鹽芯環設計圖紙尺寸，必須預留0.5毫米余量，待鹽芯環實物到位后進行投影檢測，根據鹽芯環的實際尺寸，對芯模鹽芯環安放位置R角大小、形狀及中心距進行精修。如果使用第二批次的鹽芯環，必須再次檢測，當誤差超過0.2毫米的時候，必須對芯模鹽芯環安放位置尺寸進行修配，以符合第二批次的鹽芯環安放尺寸。[4]

4.4 本技術同原有技術相比具有如下優點

鹽芯環環支桿中心通孔，中穿鋼絲，鋼絲脫離鹽芯環后可反復使用，生產力大幅提升的同時，避免了自上而下的銷釘固定由于安裝太過用力造成鹽芯環隱形開裂注鋁影響成品率，避免了用水將銷釘沖出困難等問題。芯模支桿弧形托位鹽芯環安放位置R角大小、形狀及中心距根據鹽芯環的實際尺寸進行精修后，鹽芯環安裝結合面貼切無間隙，有效避免了安放位置結合面飛邊嚴重，鑄造成品率低的問題。[5]

圖6是插入鋼絲I和鋼絲II后的芯模軸向中心線剖視圖。圖6中23是芯模本體，31是鋼絲I，33是鋼絲II，27是階梯柱面芯軸，34是芯模螺紋孔。

圖7是鹽芯環環同芯模組合在一起的分解圖。圖7中31是鋼絲I，35是鹽芯環環，33是鋼絲II，19是排氣出口，23是芯模本體，27是階梯柱面芯軸，21是芯模軸向導向塊。

圖8是本技術未鑲入耐磨圈和鹽芯環環組裝圖的局部剖視圖。圖8中37是頂模，13是半塊托盤II，39是銷孔模II，11是外模II本體，41是止口固定座，23是芯模本體，27是階梯柱面芯軸，21是芯模軸向導向塊，41是止口固定座軸向導向槽。

圖9是耐磨圈柱面平底托盤、外模、止口固定座、階梯柱面芯軸、芯模等模具實物組裝圖。

5? 結論

經過一年的實踐證明，通過柱面平底托盤4對支撐片共同將耐磨圈固定，提高了對澆鑄過程中的可控性，降低了報廢率。柱面平底托盤可以實現鑄件耐磨圈所處高度的微調，準確做到所設高度即為所得，提高了成品率。階梯柱面芯軸輕松解決了原有芯模本體中因沿著芯模軸向中心軸線在已開設水冷通道情況下很難再開設排氣通道的技術難題，改善內模排氣效果，可更換，大幅度提高芯模使用壽命。鹽芯環環環形所處的平面被限定在豎直面相垂直的水平面上，鹽芯環安裝結合面貼切無間隙，有效避免了飛邊的問題。鑄件的成品率從70%提到90%，生產力大幅提升的同時，也取得了很好的經濟效果。

參考文獻：

[1]傅建軍.模具制造工藝[M].機械工業出版社，2011.

[2]劉朝福.模具設計實訓指導書[M].清華大學出版社，2010.

[3]李殿中，李依依.鑄造原理[M].科學出版社，2011.

[4]王巍，周耀紅.模具設計[M].機械工業出版社，2009.

[5]王文清，李魁盛.鑄造工藝學[M].機械工業出版社，2009.