汽車鋁活塞銷座縮松缺陷的消除

朱禎，朱利民

(濱州渤海活塞有限公司，山東濱州 256602)

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。

圖1 厚大銷座鋁活塞局部圖片

圖2 普通銷座鋁活塞局部圖片

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]。

圖3 普通鋁活塞的外輪廓圖

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

圖4 上抽芯工藝示意圖

圖5 下抽芯工藝示意圖

圖6 改進后下抽芯工藝示意圖

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。