汽車發(fā)動(dòng)機(jī)鋁活塞金屬型鑄造底冒口補(bǔ)縮工藝

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)鋁活塞金屬型鑄造底冒口補(bǔ)縮工藝

從金屬重力造粒到低壓造粒和壓縮造粒，活動(dòng)場(chǎng)的宏觀組織和硬度得到了很好的改善，但不能用于復(fù)雜的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)、研磨鋼片（瓷圈）、內(nèi)冷油道等高科技汽車發(fā)動(dòng)機(jī)。因此，有必要在金屬重力造粒工藝中改進(jìn)第一個(gè)雙側(cè)造粒補(bǔ)縮工藝，從第一個(gè)雙側(cè)造粒補(bǔ)縮工藝發(fā)展到第二個(gè)造粒補(bǔ)縮工藝。從活動(dòng)箱頂部的側(cè)面填充工藝到活動(dòng)箱頂部的間隙填充工藝，在機(jī)械下提取芯在芯中的制造工藝中。經(jīng)過(guò)這一系列的演變,活塞的宏觀組織得到很大提高,但需要投入大量資金購(gòu)置下抽芯鋁活塞鑄造機(jī),模具制造難度也增加了許多,對(duì)頂部鑄造成型的活塞不易保證尺寸精度。鋁活塞金屬型鑄造底冒口補(bǔ)縮工藝就是為解決此類問(wèn)題而產(chǎn)生的。1底冒口補(bǔ)縮和壓壓機(jī)以提高鑄件力冒口位于鑄件要補(bǔ)縮的厚大部位下面(稱之為底冒口補(bǔ)縮),冒口補(bǔ)縮距離很短,對(duì)鑄件實(shí)現(xiàn)快速冷卻,對(duì)冒口采取有效的保溫,人為造成溫度梯度很大的溫度場(chǎng),先凝固的鑄件由于收縮而在未凝固的冒口頸周圍產(chǎn)生局部真空,大氣壓的作用使下面冒口中未凝固的鋁液通過(guò)冒口頸壓入鑄件,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鑄件的類似于低壓鑄造的加壓(大氣壓)補(bǔ)縮,使活塞的組織致密,抗拉強(qiáng)度大大提高。鑄件的快速凝固和底冒口的有效保溫是實(shí)現(xiàn)底冒口補(bǔ)縮工藝的兩大核心技術(shù)。鑄件從外(與金屬型接觸面)向內(nèi)凝固結(jié)殼和外界大氣隔絕,才能在鑄件厚大部位內(nèi)產(chǎn)生真空。為此,在模具設(shè)計(jì)時(shí)充分利用金屬型壁厚蓄熱冷卻原理,根據(jù)鑄件壁厚來(lái)合理設(shè)計(jì)金屬型的厚度,對(duì)特別厚大的部位采取局部通水強(qiáng)冷,從而保證整個(gè)鑄件實(shí)現(xiàn)從上到下的順序凝固。位于鑄件下方的冒口采用多孔海綿狀耐火材料制成,具有保溫性能好、透氣性強(qiáng)的特點(diǎn),保證冒口內(nèi)的鋁液和大氣的連通,是底冒口補(bǔ)縮的動(dòng)力源。2底冒口補(bǔ)縮工藝活塞是個(gè)圓桶狀,沿縱向分成3個(gè)區(qū):裙部、環(huán)槽和頂部,其中裙部?jī)H起導(dǎo)向作用,所以壁厚極其細(xì)薄;環(huán)槽區(qū)要切深度為壁厚1/3~1/2的3~4道環(huán)槽,其壁厚設(shè)計(jì)得較厚,通常是裙部壁厚的3~6倍;頂部與銷孔座之間是承受高的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷的主要部位,是活塞壁厚最厚的位置,通常是裙部壁厚的10~15倍。圖1是SQR371轎車活塞的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖,從中可看出活塞壁厚極不均勻,外形很特殊,帶有2個(gè)凹面,其中各有一個(gè)銷孔,頂部有鑄造成型的橢圓盆型燃燒室和4個(gè)氣門(mén)坑,因而需要采用1個(gè)垂直分型面和2個(gè)水平分型面。為保證合金的定向凝固,便于設(shè)計(jì)澆冒口系統(tǒng),創(chuàng)造有利于補(bǔ)縮的條件,從而獲得組織致密的鑄件,應(yīng)采用下抽芯法鑄造(即活塞頂面向上頂冒口補(bǔ)縮),如圖2a;為使金屬型容易制造并便于保證頂面尺寸精度,國(guó)內(nèi)大多數(shù)活塞制造廠家都普遍采用上抽芯法鑄造(即活塞頂面向下側(cè)冒口補(bǔ)縮),如圖2b。本文研究的底冒口補(bǔ)縮工藝同時(shí)具有上述2種工藝的優(yōu)點(diǎn),如圖2c所示。采用上抽芯法鑄造(即活塞頂面向下),底注式澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì),澆注后便可得到自上而下的溫度梯度,即裙部首先凝固,凝固過(guò)程中收縮很小,不會(huì)出現(xiàn)縮松或縮孔;接著是環(huán)槽區(qū)開(kāi)始凝固,它在凝固過(guò)程中的收縮可以從頂面與銷孔座之間的熱節(jié)處得到補(bǔ)充,也不會(huì)出現(xiàn)縮孔缺陷;最后凝固的是銷孔座與頂面之間,該部位的收縮包括自身的凝固收縮和對(duì)環(huán)槽區(qū)的補(bǔ)縮量,故在該區(qū)將形成集中縮孔。如果在該區(qū)域的下方設(shè)置合適大小的保溫冒口,采取相應(yīng)的工藝措施,便可將縮孔移至底冒口,從而獲得和下抽芯頂冒口補(bǔ)縮工藝一樣效果的組織致密鑄件。3設(shè)計(jì)注射系統(tǒng)和底模子表面3.1u2004試驗(yàn)結(jié)果對(duì)澆注系統(tǒng)的要求是:充型過(guò)程平穩(wěn),有一定撇渣作用,有利于鑄件順序凝固。因此,底冒口補(bǔ)縮工藝的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)宜采用封閉側(cè)注式,如圖2c所示。各截面比例表示為:∑F直∶∑F內(nèi)=1.1∶1.0。根據(jù)鋁合金的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式:F直=G/(μ×t×H)式中G——液態(tài)鋁合金總量;μ——鑄型阻力系數(shù)(一般為0.04~0.07,金屬型鑄造取0.05);t——澆注時(shí)間(一般有t=3G?√)?Ht=3G)?Η(平均壓力頭)=H0-P2/(2C);H0——作用于內(nèi)澆道的金屬液靜壓頭;P——內(nèi)澆道以上的鑄件高度;C——鑄件高度。3.2底冒口的設(shè)計(jì)底冒口必須同時(shí)滿足如下4個(gè)條件:(1)鑄件完全凝固后冒口方可開(kāi)始凝固。(2)保溫冒口中應(yīng)有足夠的液態(tài)鋁合金補(bǔ)充給鑄件。(3)“補(bǔ)縮通道”在鑄件凝固過(guò)程中始終暢通無(wú)阻。(4)冒口中的鋁液要和大氣相連通、冒口補(bǔ)縮距離要小于15mm、冒口高度要小于25mm。底冒口的設(shè)計(jì)方法步驟是:(1)選用膨脹珍珠巖作為制作保溫底冒口的主要原材料,加入耐火骨料石英粉和復(fù)合鋁酸鹽粘結(jié)劑后,制成的保溫冒口在烘干過(guò)程中其水分析出,形成一種蜂窩狀的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),這種多孔性的組織結(jié)構(gòu)同時(shí)滿足了底冒口的透氣性和保溫性的要求,其物理性能見(jiàn)表1。(2)根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)和鑄型冷卻條件預(yù)測(cè)鑄件縮孔發(fā)生的部位,在其下方周圍設(shè)置保溫冒口。(3)根據(jù)底冒口補(bǔ)縮距離不超過(guò)15mm的原則來(lái)設(shè)計(jì)底冒口的數(shù)量。(4)底冒口根部直徑D=(1~1.2)Dy,Dy為鑄件厚壁處的熱節(jié)圓直徑。(5)底冒口錐度取15℃~25℃、高度小于25mm、保溫冒口套的最小壁厚不小于10mm。SQR371活塞保溫底冒口,如圖3所示。4金屬設(shè)計(jì)4.1內(nèi)壓抽芯機(jī)構(gòu)鋁活塞底冒口鑄造工藝的金屬型結(jié)構(gòu)由以下部分組成:對(duì)開(kāi)的外型1(垂直分型)、底模2(水平分型)中間安放保溫底冒口3、型芯4(由5塊組成)、對(duì)稱的側(cè)抽芯5及工作臺(tái)6,如圖4所示。4.2排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)工藝鋁合金液體在澆注過(guò)程中,氣體只能依靠鑄型分型面的間隙排出,排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是通過(guò)冒口排氣、分型面排氣、以及在復(fù)雜的型腔和低凹處開(kāi)設(shè)排氣孔。4.3金屬型壁厚的確定增加金屬型的壁厚可提高鑄件的冷卻凝固速度,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定的壁厚如表2。對(duì)活塞鑄件來(lái)說(shuō),裙部區(qū)由于壁較薄,一般在3~5mm,可以單純利用金屬型壁厚來(lái)調(diào)整鑄件的凝固順序時(shí),為了實(shí)現(xiàn)該區(qū)的順序凝固,金屬型的壁厚應(yīng)滿足如下關(guān)系,即δ=Kcx√x(其中K為修正系數(shù),由實(shí)驗(yàn)測(cè)出,c為鋁合金的比熱容,x為距內(nèi)澆口弧長(zhǎng)),就是說(shuō)在冒口的補(bǔ)縮方向與液態(tài)金屬充型時(shí)的流向相同時(shí),只有金屬型的壁厚沿著流程x的方向,以Kcx√x的規(guī)律加厚,才能滿足順序凝固的要求,即當(dāng)x=1時(shí),δ=δ1;當(dāng)x分別為4、9、16、25時(shí),δ分別為2δ1、3δ1、4δ1、5δ1。而對(duì)于活塞的環(huán)槽區(qū)和頂部區(qū)由于鑄件壁較厚單純利用金屬型壁厚來(lái)調(diào)整鑄件凝固順序的效果不明顯,為此鑄型在此部位增加了通水冷卻,及時(shí)帶走金屬型熱量,提高金屬型的蓄熱能力,實(shí)現(xiàn)活塞鑄件的快速凝固。4.4型芯和底模的理化性質(zhì)一般用鑄鐵、鑄鋼作為鋁合金金屬型材料,平均壽命10000~50000次;型芯和底模采用美國(guó)鋼鐵學(xué)會(huì)(AISI)分類的H-13,相當(dāng)于國(guó)內(nèi)4Cr5MoSiV1鋼。這種鋼具有較高的熱強(qiáng)度和硬度,還具有較高的耐磨性和韌性,用它作模具,其鑄件尺寸穩(wěn)定、模具壽命長(zhǎng),一般大于100000次。5鑄造工藝的控制5.1保護(hù)金屬型為避免合金液冷卻速度太快,造成氣孔、冷隔、澆不足、縮孔等缺陷;保護(hù)金屬型避免急冷急熱而劇烈收縮和膨脹;減輕鑄件包緊力,便于脫型,金屬型需先預(yù)熱至150~200℃后噴刷涂料,再將外型、型芯、銷芯、底模加熱到200~300℃,才能進(jìn)行澆注。5.2使用金屬涂料金屬型不同部位噴涂按表3規(guī)定的涂料種類及厚度。5.3局部持續(xù)冷、冷金屬型工作溫度和各部分的溫差對(duì)鑄件的冷卻溫度場(chǎng)有著重要的作用。對(duì)金屬型局部過(guò)熱區(qū)域強(qiáng)制水冷和風(fēng)冷,是為了保證該區(qū)域保持正常的工作溫度,提高生產(chǎn)效率,同時(shí)消除過(guò)熱。金屬型工作溫度控制的有效手段是控制冷卻水出口溫度,出口溫度靠冷卻循環(huán)水循環(huán)速度調(diào)節(jié),水溫設(shè)置在40~60℃。5.4厚壁活檢取上限澆注溫度一般控制在700~730℃,由電阻保溫爐自動(dòng)控制,形狀復(fù)雜的薄壁活塞取上限,形狀簡(jiǎn)單的厚壁活塞偏下限。澆注時(shí)澆包嘴盡可能接近澆口杯先慢后快、澆注平穩(wěn)、液流連續(xù)、并使合金液沿澆道壁流入型腔。5.5鑄造脫離時(shí)間當(dāng)冒口基本凝固完畢,即可抽芯脫型。脫型太晚,鑄件包緊力相應(yīng)增加,造成金屬型外型分不開(kāi)和型芯抽撥困難。6澆注系統(tǒng)比較分析結(jié)果SQR371活塞頂部4個(gè)氣門(mén)坑鑄造成型,在采用底冒口補(bǔ)縮工藝時(shí),為使冒口能夠位于鑄件厚大的銷座下方,將冒口設(shè)計(jì)成圓型,如圖5左所示。經(jīng)批量生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下:活塞鑄件平均每只重398g,冒口平均每只11.3g,澆注系統(tǒng)平均每只31.5g,鑄件與澆冒口之比為1∶0.108,鑄造工藝出品率為90.3%;抽查了10只活塞的宏觀組織,都在1~2級(jí)之間,沒(méi)有大于2級(jí)的情況出現(xiàn);常溫抗拉強(qiáng)度都在330MPa以上、高溫抗拉強(qiáng)度都在130MPa以上。詳情見(jiàn)表4~表6。