冷卻系統(tǒng)對鋁活塞金相穩(wěn)定性影響研究

王雪梅，安 靜

（濱州渤海活塞有限公司 山東省發(fā)動機(jī)活塞摩擦副重點實驗室，山東濱州 256602）

0 引言

活塞金相組織的不穩(wěn)定性可以引起活塞體積等發(fā)生變化，因此金相穩(wěn)定性對活塞的結(jié)構(gòu)及質(zhì)量等至關(guān)重要。由于舊型鑄造機(jī)是開環(huán)控制系統(tǒng)，對于是否冷卻、水壓大小、水流量大小等都無法進(jìn)行準(zhǔn)確的實時監(jiān)控；活塞冷卻部分對負(fù)荷和金相有更高的要求，然而當(dāng)前冷卻設(shè)備不完善，當(dāng)澆注鋁液完成后只能進(jìn)行整體水冷卻，不能達(dá)到對活塞精確部位的冷卻。針對現(xiàn)有活塞鑄造機(jī)冷卻裝置不能達(dá)到對活塞精確部位冷卻。因此研發(fā)了一種能夠保證鋁活塞在澆注冷卻過程中，設(shè)備故障率低、安全隱患少、產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定的冷卻裝置。

1 冷卻系統(tǒng)構(gòu)造

鋁質(zhì)活塞毛坯冷卻裝置包括施耐德變頻器、專用的流量計組合裝置、多個電子式流量開關(guān)、增壓水泵、檢測壓力開關(guān)等（圖1）。

圖1 快速冷卻系統(tǒng)的組成與布局

每套冷卻系統(tǒng)都有多個冷卻通道，每個通道都可以實現(xiàn)時間自動控制、開關(guān)手動控制、溫度自動控制以及綜合自動控制等功能。開關(guān)手動控制是指每個冷卻通道都可以通過操作面板手動打開和關(guān)閉。時間自動控制是根據(jù)鑄造工藝參數(shù)設(shè)定時間來控制各冷卻通道的開啟及關(guān)閉。溫度自動控制是在模具上安裝快速熱偶，實時檢測模具溫度，在冷卻過程中，當(dāng)模具溫度高于設(shè)定的溫度時，打開冷卻通道的電磁閥對模具進(jìn)行冷卻，低于設(shè)定的溫度時則關(guān)閉電磁閥。綜合自動控制就是只有在設(shè)定的時間內(nèi)，當(dāng)模具溫度高于設(shè)定溫度的時候打開冷卻通道的電磁閥，當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定溫度的時候關(guān)閉電磁閥（圖2）。

圖2 冷卻設(shè)備電氣控制圖

2 冷卻系統(tǒng)工作原理

將增壓水泵安裝在管道的進(jìn)水口處，由施耐德變頻器引出電源。鋁液導(dǎo)入模具后開始冷卻，變頻器收到PLC 輸出信號后會依照預(yù)置的頻率開始工作，使增壓水泵電機(jī)穩(wěn)定在一定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，觀察壓力開關(guān)，把冷卻水壓控制在穩(wěn)定范圍內(nèi)。冷卻系統(tǒng)裝置包括高剛性主框架，在冷卻主管路上接入后，通過分流到模具各個部位的分管路。將電磁閥以及專用電子式流量開關(guān)安裝在每一個分路上。在流量開關(guān)顯示屏外側(cè)有透明塑料殼防護(hù)，以便觀察流量計變化。電子式流量開關(guān)可以設(shè)置流量上下限以及顯示屏顏色，可以直觀地顯示此管路水壓流量是否符合工藝。

此冷卻系統(tǒng)的工作原理是：在控制系統(tǒng)內(nèi)部收到冷卻信號后，打開對應(yīng)位置的電磁閥，冷卻水通過電磁閥后流經(jīng)電子式流量開關(guān)。通過設(shè)置流量開關(guān)電子顯示屏上的參數(shù)以及顯示功能，可以很直觀地看到此時經(jīng)過流量計的水流速度以及各個模具管路的通斷情況。將壓力開關(guān)安裝在冷卻裝置的最頂端，壓力開關(guān)是由壓力傳感器以及電磁轉(zhuǎn)換裝置等構(gòu)成，開關(guān)本身帶有顯示屏，可以顯示實時的水壓。設(shè)置壓力的區(qū)間范圍，更是在壓力超出范圍后對鑄造機(jī)系統(tǒng)發(fā)出反饋信號，從而改變變頻器的輸出頻率，以達(dá)到實時穩(wěn)定水壓的效果。

3 活塞金相驗證分析

該系統(tǒng)可以根據(jù)不同鑄件的要求，通過調(diào)整模具不同部位冷卻水的流量、壓力，配合模具溫度控制系統(tǒng)，建立合理的鑄件順序凝固溫度場，提高生產(chǎn)效率和鑄件的內(nèi)部組織質(zhì)量。設(shè)計管道壓力最高可達(dá)0.8 MPa。雷諾數(shù)是一種可用來表征流體流動情況的無量綱數(shù)，Re=ρvd/μ。其中，v 為流體的流速，ρ 為流體的密度，μ 為流體的黏性系數(shù)，d 為特征長度（圓形通道時是指該通道的直徑）。

一般用雷諾數(shù)對模具中冷卻水是層流還是紊流進(jìn)行辨別，當(dāng)水路中的水處于穩(wěn)定紊流狀態(tài)時既雷諾數(shù)Re＞10 000 時，冷卻水的傳熱能力是冷卻水層流狀態(tài)的10～20 倍。管路直徑、雷諾數(shù)及流量關(guān)系見圖3。

圖3 管路直徑、雷諾數(shù)及流量關(guān)系

采用快冷技術(shù)的頂模冷卻水距離活塞毛坯更近，對活塞頂部的冷卻更及時。由于圓形串水通道更貼近于鑄造燃燒室。而鑄造燃燒室C 點距離活塞燃燒室喉口位置非常近，可直接、有效地對燃燒室喉口這一重要部位進(jìn)行冷卻，因而能有效提高該部位的金相水平（圖4）。

圖4 普通與快冷技術(shù)的頂模對比

本冷卻系統(tǒng)實現(xiàn)了由原來的4 回路串水增加至多回路串水冷卻并配以專用的電子式流量開關(guān)，控制各個冷卻部位流量在特定的范圍內(nèi)，提高冷卻的精確性與穩(wěn)定性。滿足了大直徑活塞的冷卻需求，提升了活塞內(nèi)部組織質(zhì)量，提高了活塞金相穩(wěn)定性，降低了活塞廢品率。各取樣部分的金相對比見圖5～圖8。

圖5 Top bowl 金相對比圖（100×）

通過以上對金相圖譜×100（1.5 mm2）的比對分析，快冷活塞Si 顆粒細(xì)小且分布均勻，在0～40 μm 內(nèi)，Si 顆粒的數(shù)量較普通活塞多40%～80%。

4 結(jié)論

圖6 Down bowl 金相對比圖（100×）

圖7 Side bowl 金相對比圖（100×）

圖8 Bowl base 金相對比圖（100×）

本冷卻系統(tǒng)連接完成后安裝至鑄造機(jī)驗證試驗，在鑄造機(jī)運(yùn)行過程中，冷卻方式有溫控及時間控制兩種模式：在溫控模式下，由熱電偶測量模具實時溫度并傳送給PLC，通過計算比較，當(dāng)模具溫度大于所設(shè)定溫度時，快速冷卻裝置開始運(yùn)行，變頻器驅(qū)動電機(jī)工作，對串水進(jìn)行增壓，通過電子流量計調(diào)節(jié)不同模具的流量大小，實時監(jiān)控水流是否在設(shè)定范圍內(nèi)，溫度降低后，停止冷卻；在時間控制模式下，當(dāng)?shù)竭_(dá)所設(shè)定時間后，PLC 輸出信號控制變頻器啟動電機(jī)，對串水進(jìn)行增壓，通過電子流量計調(diào)節(jié)不同模具的流量大小，到達(dá)設(shè)定時間后，停止冷卻。增加快冷裝置后，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集經(jīng)過驗證，產(chǎn)品質(zhì)量提高了13.5%。通過金相顆粒統(tǒng)計，使用快冷生產(chǎn)的鑄件初精硅與共晶硅無論從數(shù)量上還是尺寸上大多數(shù)集中在20～60 mm 且分布比較均勻。