汽车发动机铝活塞金属型铸造底冒口补缩工艺

汽车发动机铝活塞金属型铸造底冒口补缩工艺

从金属重力造粒到低压造粒和压缩造粒，活动场的宏观组织和硬度得到了很好的改善，但不能用于复杂的内腔结构、研磨钢片（瓷圈）、内冷油道等高科技汽车发动机。因此，有必要在金属重力造粒工艺中改进第一个双侧造粒补缩工艺，从第一个双侧造粒补缩工艺发展到第二个造粒补缩工艺。从活动箱顶部的侧面填充工艺到活动箱顶部的间隙填充工艺，在机械下提取芯在芯中的制造工艺中。经过这一系列的演变,活塞的宏观组织得到很大提高,但需要投入大量资金购置下抽芯铝活塞铸造机,模具制造难度也增加了许多,对顶部铸造成型的活塞不易保证尺寸精度。铝活塞金属型铸造底冒口补缩工艺就是为解决此类问题而产生的。1底冒口补缩和压压机以提高铸件力冒口位于铸件要补缩的厚大部位下面(称之为底冒口补缩),冒口补缩距离很短,对铸件实现快速冷却,对冒口采取有效的保温,人为造成温度梯度很大的温度场,先凝固的铸件由于收缩而在未凝固的冒口颈周围产生局部真空,大气压的作用使下面冒口中未凝固的铝液通过冒口颈压入铸件,从而实现对铸件的类似于低压铸造的加压(大气压)补缩,使活塞的组织致密,抗拉强度大大提高。铸件的快速凝固和底冒口的有效保温是实现底冒口补缩工艺的两大核心技术。铸件从外(与金属型接触面)向内凝固结壳和外界大气隔绝,才能在铸件厚大部位内产生真空。为此,在模具设计时充分利用金属型壁厚蓄热冷却原理,根据铸件壁厚来合理设计金属型的厚度,对特别厚大的部位采取局部通水强冷,从而保证整个铸件实现从上到下的顺序凝固。位于铸件下方的冒口采用多孔海绵状耐火材料制成,具有保温性能好、透气性强的特点,保证冒口内的铝液和大气的连通,是底冒口补缩的动力源。2底冒口补缩工艺活塞是个圆桶状,沿纵向分成3个区:裙部、环槽和顶部,其中裙部仅起导向作用,所以壁厚极其细薄;环槽区要切深度为壁厚1/3~1/2的3~4道环槽,其壁厚设计得较厚,通常是裙部壁厚的3~6倍;顶部与销孔座之间是承受高的热负荷和机械负荷的主要部位,是活塞壁厚最厚的位置,通常是裙部壁厚的10~15倍。图1是SQR371轿车活塞的结构简图,从中可看出活塞壁厚极不均匀,外形很特殊,带有2个凹面,其中各有一个销孔,顶部有铸造成型的椭圆盆型燃烧室和4个气门坑,因而需要采用1个垂直分型面和2个水平分型面。为保证合金的定向凝固,便于设计浇冒口系统,创造有利于补缩的条件,从而获得组织致密的铸件,应采用下抽芯法铸造(即活塞顶面向上顶冒口补缩),如图2a;为使金属型容易制造并便于保证顶面尺寸精度,国内大多数活塞制造厂家都普遍采用上抽芯法铸造(即活塞顶面向下侧冒口补缩),如图2b。本文研究的底冒口补缩工艺同时具有上述2种工艺的优点,如图2c所示。采用上抽芯法铸造(即活塞顶面向下),底注式浇注系统设计,浇注后便可得到自上而下的温度梯度,即裙部首先凝固,凝固过程中收缩很小,不会出现缩松或缩孔;接着是环槽区开始凝固,它在凝固过程中的收缩可以从顶面与销孔座之间的热节处得到补充,也不会出现缩孔缺陷;最后凝固的是销孔座与顶面之间,该部位的收缩包括自身的凝固收缩和对环槽区的补缩量,故在该区将形成集中缩孔。如果在该区域的下方设置合适大小的保温冒口,采取相应的工艺措施,便可将缩孔移至底冒口,从而获得和下抽芯顶冒口补缩工艺一样效果的组织致密铸件。3设计注射系统和底模子表面3.1u2004试验结果对浇注系统的要求是:充型过程平稳,有一定撇渣作用,有利于铸件顺序凝固。因此,底冒口补缩工艺的浇注系统设计宜采用封闭侧注式,如图2c所示。各截面比例表示为:∑F直∶∑F内=1.1∶1.0。根据铝合金的经验计算公式:F直=G/(μ×t×H)式中G——液态铝合金总量;μ——铸型阻力系数(一般为0.04~0.07,金属型铸造取0.05);t——浇注时间(一般有t=3G−√)‚Ht=3G)‚Η(平均压力头)=H0-P2/(2C);H0——作用于内浇道的金属液静压头;P——内浇道以上的铸件高度;C——铸件高度。3.2底冒口的设计底冒口必须同时满足如下4个条件:(1)铸件完全凝固后冒口方可开始凝固。(2)保温冒口中应有足够的液态铝合金补充给铸件。(3)“补缩通道”在铸件凝固过程中始终畅通无阻。(4)冒口中的铝液要和大气相连通、冒口补缩距离要小于15mm、冒口高度要小于25mm。底冒口的设计方法步骤是:(1)选用膨胀珍珠岩作为制作保温底冒口的主要原材料,加入耐火骨料石英粉和复合铝酸盐粘结剂后,制成的保温冒口在烘干过程中其水分析出,形成一种蜂窝状的网络结构,这种多孔性的组织结构同时满足了底冒口的透气性和保温性的要求,其物理性能见表1。(2)根据铸件结构和铸型冷却条件预测铸件缩孔发生的部位,在其下方周围设置保温冒口。(3)根据底冒口补缩距离不超过15mm的原则来设计底冒口的数量。(4)底冒口根部直径D=(1~1.2)Dy,Dy为铸件厚壁处的热节圆直径。(5)底冒口锥度取15℃~25℃、高度小于25mm、保温冒口套的最小壁厚不小于10mm。SQR371活塞保温底冒口,如图3所示。4金属设计4.1内压抽芯机构铝活塞底冒口铸造工艺的金属型结构由以下部分组成:对开的外型1(垂直分型)、底模2(水平分型)中间安放保温底冒口3、型芯4(由5块组成)、对称的侧抽芯5及工作台6,如图4所示。4.2排气系统设计工艺铝合金液体在浇注过程中,气体只能依靠铸型分型面的间隙排出,排气系统设计主要是通过冒口排气、分型面排气、以及在复杂的型腔和低凹处开设排气孔。4.3金属型壁厚的确定增加金属型的壁厚可提高铸件的冷却凝固速度,根据经验确定的壁厚如表2。对活塞铸件来说,裙部区由于壁较薄,一般在3~5mm,可以单纯利用金属型壁厚来调整铸件的凝固顺序时,为了实现该区的顺序凝固,金属型的壁厚应满足如下关系,即δ=Kcx√x(其中K为修正系数,由实验测出,c为铝合金的比热容,x为距内浇口弧长),就是说在冒口的补缩方向与液态金属充型时的流向相同时,只有金属型的壁厚沿着流程x的方向,以Kcx√x的规律加厚,才能满足顺序凝固的要求,即当x=1时,δ=δ1;当x分别为4、9、16、25时,δ分别为2δ1、3δ1、4δ1、5δ1。而对于活塞的环槽区和顶部区由于铸件壁较厚单纯利用金属型壁厚来调整铸件凝固顺序的效果不明显,为此铸型在此部位增加了通水冷却,及时带走金属型热量,提高金属型的蓄热能力,实现活塞铸件的快速凝固。4.4型芯和底模的理化性质一般用铸铁、铸钢作为铝合金金属型材料,平均寿命10000~50000次;型芯和底模采用美国钢铁学会(AISI)分类的H-13,相当于国内4Cr5MoSiV1钢。这种钢具有较高的热强度和硬度,还具有较高的耐磨性和韧性,用它作模具,其铸件尺寸稳定、模具寿命长,一般大于100000次。5铸造工艺的控制5.1保护金属型为避免合金液冷却速度太快,造成气孔、冷隔、浇不足、缩孔等缺陷;保护金属型避免急冷急热而剧烈收缩和膨胀;减轻铸件包紧力,便于脱型,金属型需先预热至150~200℃后喷刷涂料,再将外型、型芯、销芯、底模加热到200~300℃,才能进行浇注。5.2使用金属涂料金属型不同部位喷涂按表3规定的涂料种类及厚度。5.3局部持续冷、冷金属型工作温度和各部分的温差对铸件的冷却温度场有着重要的作用。对金属型局部过热区域强制水冷和风冷,是为了保证该区域保持正常的工作温度,提高生产效率,同时消除过热。金属型工作温度控制的有效手段是控制冷却水出口温度,出口温度靠冷却循环水循环速度调节,水温设置在40~60℃。5.4厚壁活检取上限浇注温度一般控制在700~730℃,由电阻保温炉自动控制,形状复杂的薄壁活塞取上限,形状简单的厚壁活塞偏下限。浇注时浇包嘴尽可能接近浇口杯先慢后快、浇注平稳、液流连续、并使合金液沿浇道壁流入型腔。5.5铸造脱离时间当冒口基本凝固完毕,即可抽芯脱型。脱型太晚,铸件包紧力相应增加,造成金属型外型分不开和型芯抽拨困难。6浇注系统比较分析结果SQR371活塞顶部4个气门坑铸造成型,在采用底冒口补缩工艺时,为使冒口能够位于铸件厚大的销座下方,将冒口设计成圆型,如图5左所示。经批量生产统计结果如下:活塞铸件平均每只重398g,冒口平均每只11.3g,浇注系统平均每只31.5g,铸件与浇冒口之比为1∶0.108,铸造工艺出品率为90.3%;抽查了10只活塞的宏观组织,都在1~2级之间,没有大于2级的情况出现;常温抗拉强度都在330MPa以上、高温抗拉强度都在130MPa以上。详情见表4~表6。