汽車鋁活塞金屬型鑄造工藝的研究

傳統的鋁提取工藝主要采用金屬上提取工藝。這種工藝澆冒口重量約為鑄件凈重的1~1.2倍,工藝出品率低于50%,且由于厚大部位在下,薄壁的裙部在上,凝固過程不符合順序凝固的原則,活塞毛坯質量不容易保證。作為鋁活塞鑄造工藝技術新的發展方向的下抽芯鑄造工藝的設計方法是:鋁活塞的頂部厚大部位向上放置,向下抽取型芯。這種方法手工操作困難,比較適合于機械化生產,能降低勞動強度和提高生產率。但是由于國外機械化設備價格較貴,對工人技術要求較高,機械化下抽芯工藝的應用還不是很普遍。本文根據金屬型鑄造的工藝特點,以東風EQ140汽車活塞為研究對象,在低技術裝備條件下,設計出一套具備旋轉系統、開合型機構和半永久型保溫冒口套的鋁活塞金屬型模具,以便于手工抽芯同時實現下抽芯工藝,提高生產率。1基于基本結構的基本結構本文以東風EQ140汽車活塞作為實驗對象,活塞的主要結構尺寸見圖1所示。材質為ZL108鋁硅合金材料,由于該活塞裙部壁厚較薄,內腔形狀復雜,給鑄件生產帶來一定的困難。2鋁合金金屬型重力鑄造澆注系統的特點由于鋁合金具有比熱容小而熱導率大、在金屬型腔內的流動過程中冷卻速度快且易氧化等特點,根據共晶鋁硅合金的凝固特點和活塞鑄件的質量要求,鋁合金金屬型重力鑄造澆注時,對澆注系統的要求是:過程平穩且有一定的的撇渣作用,有利于實現鑄件的順序凝固。最終采用了開放底注式工藝,可以在一定程度上避免砂眼、氣孔和夾渣等缺陷。2.1澆注系統參數設計在鋁活塞金屬型下抽芯鑄造工藝的澆注系統的設計中,直澆道是最小截面處。其斷面尺寸的計算,根據Osann.B公式:式中Fmin———澆道的最小斷面積;G———金屬液經內澆道流入型腔的總重量;μ———合金液的流量系數;g——重力加速度;Hp———作用于內澆道的金屬液平均靜壓力。東風EQ140汽車活塞,G=13N,γ=2.5×104N/m3,μ=0.58,t=2.52s,g=9.81m/s2,Hp=110mm,將以上各參數的值代入公式得Fmin=2.03×10-4(m2)。經過適當的修正,澆注系統阻流斷面面積取為Fmin=180mm2,開放式澆注系統各組元斷面比例為:FS∶Fin=1∶2。則內澆道斷面積Fin=2FS=360mm2。澆注系統斷面結構尺寸如圖2。2.2直澆道的安裝澆口杯的作用是承接金屬液,防止澆注時金屬液飛濺和溢出,緩和其沖力后引進直澆道,并阻止部分熔渣進入直澆道,穩定靜壓頭的高度。澆口杯與直澆道的轉接處應做出圓角,使合金液平穩流入直澆道。同時,為便于模具的制造,應將澆口杯的結構形狀設計成高梯形。2.3穩定模具的澆注通常在澆注時,模具是直立放置,為使澆注更平穩可采用傾斜澆注(模具傾轉約30°)的鑄造方法,澆注時加大直澆道的傾斜角度,使得澆注時的液流平緩,澆注到一定位置后再將模具直立過來。3冒口補縮對鋁硅合金結晶過程的影響活塞的材質為鋁硅合金,其化學成分中含有Al、Si、Cu、Mg、Ni及微量的Zn、Fe、Ti等。鋁硅合金的結晶溫度區間小,收縮率較大,易形成縮孔缺陷,因此在活塞較厚的部位需要設置冒口進行補縮。采用金屬型鑄造鋁活塞,由于金屬導熱速度快,保溫性能差,為了得到致密無缺陷的合格鑄件、減小冒口體積及提高冒口補縮能力,我們采用保溫冒口,以減少廢品率,提高工藝出品率。3.1冒口方程的建立根據活塞的結構特征,采用圓柱形的明頂冒口工藝比較合理。冒口的設計方法很多,其中以模數法科學性最強。在金屬冒口研究中,Nehru等人提出凝固模數系數的概念,凝固模數系數的定義為:式中MC———凝固模數系數;M———鑄件的凝固模數;DVR———金屬型鑄造的體積比(鑄型體積/鑄件體積)。T.S.Prasarna用凝固模數系數推導出金屬型冒口的方程式:式中DFR———金屬型鑄造的凝固比;MCr———冒口的凝固模數系數;VR———體積比(冒口體積/鑄件體積);結合東風EQ140汽車鋁活塞的結構特點,得出金屬型鑄造鋁活塞半永久型保溫冒口方程為:其中:Dr為冒口底部直徑;C1、C2、C3為活塞和鑄型的幾何參數。以東風EQ140汽車活塞為例,其中C1=533978,C2=91160.5,C3=137500,A=1.492,B=0.035,代入上式可得冒口底部直徑Dr=41mm;同時考慮到生產實際中金屬型溫度、澆注溫度、金屬型涂料等因素對冒口補縮的影響,將直徑確定為Dr=45mm,冒口高度Hr=1.2Dr=54mm,取55mm,冒口斜度取10°。3.2冒口套的結構形式選取WDBZH-1000型保溫粘結膏和HDBT-800型保溫涂料作為活塞冒口的保溫材料。WDBZH-1000型保溫粘結膏和HDBT-800型保溫涂料保溫性好(熱導率0.055~0.070W/(m·K)),耐火度高(800℃),容易成形,而且保溫粘結膏可緊密地粘附在金屬板上。為了提高保溫冒口的使用壽命和便于工人操作,用金屬板做成冒口形狀作為內襯套,將保溫材料充填在金屬板周圍,使保溫材料與合金液間接接觸,制成半永久型保溫冒口套。并將冒口套設計成鑲塊嵌入金屬型本體中,便于更換維修。因此冒口套的結構形式為:內層金屬襯板—內層保溫粘結膏—外層保溫涂料—外層金屬襯板。由于保溫粘結膏與內層金屬襯板之間、保溫粘結膏與外層保溫涂料之間都是緊密接觸,顯著地降低了熱量的損失,充分發揮保溫材料的保溫性能,提高冒口的補縮能力。冒口的結構見圖3所示。4抽芯和澆注系統設計鋁活塞基本上呈圓桶形狀,桶腰有對稱銷孔,并向內壁伸出銷孔座。鑒于此,為方便抽芯和起模,通常采用垂直分型、鉸鏈式的金屬型結構。由于抽芯位置和澆注位置不在同一位置,為了能夠采用頂冒口補縮,又能夠方便于手工抽芯,將金屬型設計成回轉式。整個鋁活塞金屬模具的結構有如下幾個主要部分:活塞金屬型鑄造本體型(兩個半型);活塞內腔型芯組(分為三塊);中心銷孔型芯組(分為兩塊);半永久型保溫冒口模塊(兩個半型);澆注系統模塊(兩個半型);簡化金屬型結構可以建立鋁活塞金屬型鑄造的結構模型簡圖,如圖4。4.1基于空腔的基本模具活塞金屬型鑄造本體型由兩個半型組成,分別為本體型1和本體型2。本體型采用HT200鑄造成型,兩個半型合型后,中間形成三個空腔,分別嵌入活塞內腔型芯組、中心銷孔型芯組、半永久型保溫冒口模塊以及澆注系統模塊就組成一個完整的活塞鑄造模具。保溫冒口通過緊固螺釘與本體型鏈接緊固,澆注系統模塊和本體型之間采用過盈配合。4.2制備實磨砂件活塞內腔型芯由于結構復雜,為了便于下芯和抽芯,設計為三塊,中間一塊加工為鍥形,方便取出?；钊麅惹恍托窘M使用40Cr加工制造,有較高的硬度與強度,增加耐磨性,延長模具使用壽命。4.3本體型開型合型,加轉后鎖定機構鋁活塞重力澆注設備整體結構如圖5所示,由28個零部件裝配而成,其中包括:進給手輪、進給軸、進給端支架板、導向桿(4個)、內腔型芯組(3塊)、中心銷孔型芯組(2塊)、旋轉端支架板、旋轉軸、支架、傳動螺桿、銷(2個)、本體型(兩個半型)、保溫冒口、緊固螺釘(4個)、旋轉手輪、澆注系統(兩個半型)。左側的進給手輪,通過和左邊本體型相連的傳動螺桿,控制開型合型。本體型在導向桿上平行移動,保證兩個半型在同一水平位置。右側的翻轉手輪和導向桿、兩側支架板組成的框架相連,通過翻轉手輪對本體型進行翻轉,通過定位銷來鎖定機構。操作流程為:(1)旋轉右側翻轉手輪,使本體型下芯部位朝上,并用定位銷鎖定;(2)旋轉左側進給手輪推動左本體型,使兩個半型合型;(3)下芯,將兩組型芯組放置于本體型中;(4)拔出定位銷,旋轉右側翻轉手輪使澆口朝上并傾斜30°,然后插入定位銷鎖定;(5)進行澆注,澆注到一定位置后拔出定位銷,再旋轉右側翻轉手輪將模具直立過來,呈下抽芯狀態,待金屬液冷卻;(6)拔出定位銷,旋轉右側翻轉手輪使本體型下芯部位朝上,然后鎖定;(7)抽芯,取出兩組型芯組;(8)旋轉左側進給手輪移動左本體型,進行開型,取出鑄件。通過翻轉機構的一連串動作,使澆注時處于下抽芯位置,待鋁液凝固后將模具翻轉180°變為上抽芯,實現了將下抽芯工藝與傳統上抽芯手工操作的結合。5鑄造工藝的優點對這種工藝進行了生產驗證,對得到的鑄件沿毛坯熱節處剖開,未發現縮孔、縮松缺陷。鑄件重0.90kg,澆口重0.16kg,工藝出品率為85%。并且各項性能指標都在國標范圍以內。通過實際生產可知:(1)根據活塞本身的結構特點,采用底注式的下抽芯澆注工藝,更符合順序凝固原則;(2)設置保溫頂冒口,并使用模數法計算冒口尺寸,提高了冒口的補縮作用,可改善鑄件質量、增加了鑄件工藝出品率(從小于50%到85