汽車鋁活塞金屬型鑄造工藝的研究

汽車鋁活塞金屬型鑄造工藝的研究

傳統(tǒng)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(zhì)量不容易保證。作為鋁活塞鑄造工藝技術(shù)新的發(fā)展方向的下抽芯鑄造工藝的設(shè)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(chǎn),能降低勞動強度和提高生產(chǎn)率。但是由于國外機械化設(shè)備價格較貴,對工人技術(shù)要求較高,機械化下抽芯工藝的應(yīng)用還不是很普遍。本文根據(jù)金屬型鑄造的工藝特點,以東風(fēng)EQ140汽車活塞為研究對象,在低技術(shù)裝備條件下,設(shè)計出一套具備旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、開合型機構(gòu)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(xiàn)下抽芯工藝,提高生產(chǎn)率。1基于基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)本文以東風(fēng)EQ140汽車活塞作為實驗對象,活塞的主要結(jié)構(gòu)尺寸見圖1所示。材質(zhì)為ZL108鋁硅合金材料,由于該活塞裙部壁厚較薄,內(nèi)腔形狀復(fù)雜,給鑄件生產(chǎn)帶來一定的困難。2鋁合金金屬型重力鑄造澆注系統(tǒng)的特點由于鋁合金具有比熱容小而熱導(dǎo)率大、在金屬型腔內(nèi)的流動過程中冷卻速度快且易氧化等特點,根據(jù)共晶鋁硅合金的凝固特點和活塞鑄件的質(zhì)量要求,鋁合金金屬型重力鑄造澆注時,對澆注系統(tǒng)的要求是:過程平穩(wěn)且有一定的的撇渣作用,有利于實現(xiàn)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(tǒng)參數(shù)設(shè)計在鋁活塞金屬型下抽芯鑄造工藝的澆注系統(tǒng)的設(shè)計中,直澆道是最小截面處。其斷面尺寸的計算,根據(jù)Osann.B公式:式中Fmin———澆道的最小斷面積;G———金屬液經(jīng)內(nèi)澆道流入型腔的總重量;μ———合金液的流量系數(shù);g——重力加速度;Hp———作用于內(nèi)澆道的金屬液平均靜壓力。東風(fēng)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(shù)的值代入公式得Fmin=2.03×10-4(m2)。經(jīng)過適當(dāng)?shù)男拚?澆注系統(tǒng)阻流斷面面積取為Fmin=180mm2,開放式澆注系統(tǒng)各組元斷面比例為:FS∶Fin=1∶2。則內(nèi)澆道斷面積Fin=2FS=360mm2。澆注系統(tǒng)斷面結(jié)構(gòu)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?jié)沧r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(wěn)定靜壓頭的高度。澆口杯與直澆道的轉(zhuǎn)接處應(yīng)做出圓角,使合金液平穩(wěn)流入直澆道。同時,為便于模具的制造,應(yīng)將澆口杯的結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計成高梯形。2.3穩(wěn)定模具的澆注通常在澆注時,模具是直立放置,為使?jié)沧⒏椒€(wěn)可采用傾斜澆注(模具傾轉(zhuǎn)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(jié)晶過程的影響活塞的材質(zhì)為鋁硅合金,其化學(xué)成分中含有Al、Si、Cu、Mg、Ni及微量的Zn、Fe、Ti等。鋁硅合金的結(jié)晶溫度區(qū)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(shè)置冒口進行補縮。采用金屬型鑄造鋁活塞,由于金屬導(dǎo)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(jù)活塞的結(jié)構(gòu)特征,采用圓柱形的明頂冒口工藝比較合理。冒口的設(shè)計方法很多,其中以模數(shù)法科學(xué)性最強。在金屬冒口研究中,Nehru等人提出凝固模數(shù)系數(shù)的概念,凝固模數(shù)系數(shù)的定義為:式中MC———凝固模數(shù)系數(shù);M———鑄件的凝固模數(shù);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(shù)系數(shù)推導(dǎo)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(shù)系數(shù);VR———體積比(冒口體積/鑄件體積);結(jié)合東風(fēng)EQ140汽車鋁活塞的結(jié)構(gòu)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(shù)。以東風(fēng)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(chǎn)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(jié)構(gòu)形式選取WDBZH-1000型保溫粘結(jié)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(jié)膏和HDBT-800型保溫涂料保溫性好(熱導(dǎo)率0.055~0.070W/(m·K)),耐火度高(800℃),容易成形,而且保溫粘結(jié)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(nèi)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(shè)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(jié)構(gòu)形式為:內(nèi)層金屬襯板—內(nèi)層保溫粘結(jié)膏—外層保溫涂料—外層金屬襯板。由于保溫粘結(jié)膏與內(nèi)層金屬襯板之間、保溫粘結(jié)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(fā)揮保溫材料的保溫性能,提高冒口的補縮能力。冒口的結(jié)構(gòu)見圖3所示。4抽芯和澆注系統(tǒng)設(shè)計鋁活塞基本上呈圓桶形狀,桶腰有對稱銷孔,并向內(nèi)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(jié)構(gòu)。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(shè)計成回轉(zhuǎn)式。整個鋁活塞金屬模具的結(jié)構(gòu)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(nèi)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(tǒng)模塊(兩個半型);簡化金屬型結(jié)構(gòu)可以建立鋁活塞金屬型鑄造的結(jié)構(gòu)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(nèi)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(tǒng)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(tǒng)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(nèi)腔型芯由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜,為了便于下芯和抽芯,設(shè)計為三塊,中間一塊加工為鍥形,方便取出?；钊麅?nèi)腔型芯組使用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(zhuǎn)后鎖定機構(gòu)鋁活塞重力澆注設(shè)備整體結(jié)構(gòu)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(dǎo)向桿(4個)、內(nèi)腔型芯組(3塊)、中心銷孔型芯組(2塊)、旋轉(zhuǎn)端支架板、旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)手輪、澆注系統(tǒng)(兩個半型)。左側(cè)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(dǎo)向桿上平行移動,保證兩個半型在同一水平位置。右側(cè)的翻轉(zhuǎn)手輪和導(dǎo)向桿、兩側(cè)支架板組成的框架相連,通過翻轉(zhuǎn)手輪對本體型進行翻轉(zhuǎn),通過定位銷來鎖定機構(gòu)。操作流程為:(1)旋轉(zhuǎn)右側(cè)翻轉(zhuǎn)手輪,使本體型下芯部位朝上,并用定位銷鎖定;(2)旋轉(zhuǎn)左側(cè)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(zhuǎn)右側(cè)翻轉(zhuǎn)手輪使?jié)部诔喜A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(zhuǎn)右側(cè)翻轉(zhuǎn)手輪將模具直立過來,呈下抽芯狀態(tài),待金屬液冷卻;(6)拔出定位銷,旋轉(zhuǎn)右側(cè)翻轉(zhuǎn)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(zhuǎn)左側(cè)進給手輪移動左本體型,進行開型,取出鑄件。通過翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的一連串動作,使?jié)沧r處于下抽芯位置,待鋁液凝固后將模具翻轉(zhuǎn)180°變?yōu)樯铣樾?實現(xiàn)了將下抽芯工藝與傳統(tǒng)上抽芯手工操作的結(jié)合。5鑄造工藝的優(yōu)點對這種工藝進行了生產(chǎn)驗證,對得到的鑄件沿毛坯熱節(jié)處剖開,未發(fā)現(xiàn)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(nèi)。通過實際生產(chǎn)可知:(1)根據(jù)活塞本身的結(jié)構(gòu)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(shè)置保溫頂冒口,并使用模數(shù)法計算冒口尺寸,提高了冒口的補縮作用,可改善鑄件質(zhì)量、增加了鑄件工藝出品率(從小于50%到85