汽车铝活塞金属型铸造工艺的研究

汽车铝活塞金属型铸造工艺的研究

传统的铝提取工艺主要采用金属上提取工艺。这种工艺浇冒口重量约为铸件净重的1~1.2倍,工艺出品率低于50%,且由于厚大部位在下,薄壁的裙部在上,凝固过程不符合顺序凝固的原则,活塞毛坯质量不容易保证。作为铝活塞铸造工艺技术新的发展方向的下抽芯铸造工艺的设计方法是:铝活塞的顶部厚大部位向上放置,向下抽取型芯。这种方法手工操作困难,比较适合于机械化生产,能降低劳动强度和提高生产率。但是由于国外机械化设备价格较贵,对工人技术要求较高,机械化下抽芯工艺的应用还不是很普遍。本文根据金属型铸造的工艺特点,以东风EQ140汽车活塞为研究对象,在低技术装备条件下,设计出一套具备旋转系统、开合型机构和半永久型保温冒口套的铝活塞金属型模具,以便于手工抽芯同时实现下抽芯工艺,提高生产率。1基于基本结构的基本结构本文以东风EQ140汽车活塞作为实验对象,活塞的主要结构尺寸见图1所示。材质为ZL108铝硅合金材料,由于该活塞裙部壁厚较薄,内腔形状复杂,给铸件生产带来一定的困难。2铝合金金属型重力铸造浇注系统的特点由于铝合金具有比热容小而热导率大、在金属型腔内的流动过程中冷却速度快且易氧化等特点,根据共晶铝硅合金的凝固特点和活塞铸件的质量要求,铝合金金属型重力铸造浇注时,对浇注系统的要求是:过程平稳且有一定的的撇渣作用,有利于实现铸件的顺序凝固。最终采用了开放底注式工艺,可以在一定程度上避免砂眼、气孔和夹渣等缺陷。2.1浇注系统参数设计在铝活塞金属型下抽芯铸造工艺的浇注系统的设计中,直浇道是最小截面处。其断面尺寸的计算,根据Osann.B公式:式中Fmin———浇道的最小断面积;G———金属液经内浇道流入型腔的总重量;μ———合金液的流量系数;g——重力加速度;Hp———作用于内浇道的金属液平均静压力。东风EQ140汽车活塞,G=13N,γ=2.5×104N/m3,μ=0.58,t=2.52s,g=9.81m/s2,Hp=110mm,将以上各参数的值代入公式得Fmin=2.03×10-4(m2)。经过适当的修正,浇注系统阻流断面面积取为Fmin=180mm2,开放式浇注系统各组元断面比例为:FS∶Fin=1∶2。则内浇道断面积Fin=2FS=360mm2。浇注系统断面结构尺寸如图2。2.2直浇道的安装浇口杯的作用是承接金属液,防止浇注时金属液飞溅和溢出,缓和其冲力后引进直浇道,并阻止部分熔渣进入直浇道,稳定静压头的高度。浇口杯与直浇道的转接处应做出圆角,使合金液平稳流入直浇道。同时,为便于模具的制造,应将浇口杯的结构形状设计成高梯形。2.3稳定模具的浇注通常在浇注时,模具是直立放置,为使浇注更平稳可采用倾斜浇注(模具倾转约30°)的铸造方法,浇注时加大直浇道的倾斜角度,使得浇注时的液流平缓,浇注到一定位置后再将模具直立过来。3冒口补缩对铝硅合金结晶过程的影响活塞的材质为铝硅合金,其化学成分中含有Al、Si、Cu、Mg、Ni及微量的Zn、Fe、Ti等。铝硅合金的结晶温度区间小,收缩率较大,易形成缩孔缺陷,因此在活塞较厚的部位需要设置冒口进行补缩。采用金属型铸造铝活塞,由于金属导热速度快,保温性能差,为了得到致密无缺陷的合格铸件、减小冒口体积及提高冒口补缩能力,我们采用保温冒口,以减少废品率,提高工艺出品率。3.1冒口方程的建立根据活塞的结构特征,采用圆柱形的明顶冒口工艺比较合理。冒口的设计方法很多,其中以模数法科学性最强。在金属冒口研究中,Nehru等人提出凝固模数系数的概念,凝固模数系数的定义为:式中MC———凝固模数系数;M———铸件的凝固模数;DVR———金属型铸造的体积比(铸型体积/铸件体积)。T.S.Prasarna用凝固模数系数推导出金属型冒口的方程式:式中DFR———金属型铸造的凝固比;MCr———冒口的凝固模数系数;VR———体积比(冒口体积/铸件体积);结合东风EQ140汽车铝活塞的结构特点,得出金属型铸造铝活塞半永久型保温冒口方程为:其中:Dr为冒口底部直径;C1、C2、C3为活塞和铸型的几何参数。以东风EQ140汽车活塞为例,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径Dr=41mm;同时考虑到生产实际中金属型温度、浇注温度、金属型涂料等因素对冒口补缩的影响,将直径确定为Dr=45mm,冒口高度Hr=1.2Dr=54mm,取55mm,冒口斜度取10°。3.2冒口套的结构形式选取WDBZH-1000型保温粘结膏和HDBT-800型保温涂料作为活塞冒口的保温材料。WDBZH-1000型保温粘结膏和HDBT-800型保温涂料保温性好(热导率0.055~0.070W/(m·K)),耐火度高(800℃),容易成形,而且保温粘结膏可紧密地粘附在金属板上。为了提高保温冒口的使用寿命和便于工人操作,用金属板做成冒口形状作为内衬套,将保温材料充填在金属板周围,使保温材料与合金液间接接触,制成半永久型保温冒口套。并将冒口套设计成镶块嵌入金属型本体中,便于更换维修。因此冒口套的结构形式为:内层金属衬板—内层保温粘结膏—外层保温涂料—外层金属衬板。由于保温粘结膏与内层金属衬板之间、保温粘结膏与外层保温涂料之间都是紧密接触,显著地降低了热量的损失,充分发挥保温材料的保温性能,提高冒口的补缩能力。冒口的结构见图3所示。4抽芯和浇注系统设计铝活塞基本上呈圆桶形状,桶腰有对称销孔,并向内壁伸出销孔座。鉴于此,为方便抽芯和起模,通常采用垂直分型、铰链式的金属型结构。由于抽芯位置和浇注位置不在同一位置,为了能够采用顶冒口补缩,又能够方便于手工抽芯,将金属型设计成回转式。整个铝活塞金属模具的结构有如下几个主要部分:活塞金属型铸造本体型(两个半型);活塞内腔型芯组(分为三块);中心销孔型芯组(分为两块);半永久型保温冒口模块(两个半型);浇注系统模块(两个半型);简化金属型结构可以建立铝活塞金属型铸造的结构模型简图,如图4。4.1基于空腔的基本模具活塞金属型铸造本体型由两个半型组成,分别为本体型1和本体型2。本体型采用HT200铸造成型,两个半型合型后,中间形成三个空腔,分别嵌入活塞内腔型芯组、中心销孔型芯组、半永久型保温冒口模块以及浇注系统模块就组成一个完整的活塞铸造模具。保温冒口通过紧固螺钉与本体型链接紧固,浇注系统模块和本体型之间采用过盈配合。4.2制备实磨砂件活塞内腔型芯由于结构复杂,为了便于下芯和抽芯,设计为三块,中间一块加工为锲形,方便取出。活塞内腔型芯组使用40Cr加工制造,有较高的硬度与强度,增加耐磨性,延长模具使用寿命。4.3本体型开型合型,加转后锁定机构铝活塞重力浇注设备整体结构如图5所示,由28个零部件装配而成,其中包括:进给手轮、进给轴、进给端支架板、导向杆(4个)、内腔型芯组(3块)、中心销孔型芯组(2块)、旋转端支架板、旋转轴、支架、传动螺杆、销(2个)、本体型(两个半型)、保温冒口、紧固螺钉(4个)、旋转手轮、浇注系统(两个半型)。左侧的进给手轮,通过和左边本体型相连的传动螺杆,控制开型合型。本体型在导向杆上平行移动,保证两个半型在同一水平位置。右侧的翻转手轮和导向杆、两侧支架板组成的框架相连,通过翻转手轮对本体型进行翻转,通过定位销来锁定机构。操作流程为:(1)旋转右侧翻转手轮,使本体型下芯部位朝上,并用定位销锁定;(2)旋转左侧进给手轮推动左本体型,使两个半型合型;(3)下芯,将两组型芯组放置于本体型中;(4)拔出定位销,旋转右侧翻转手轮使浇口朝上并倾斜30°,然后插入定位销锁定;(5)进行浇注,浇注到一定位置后拔出定位销,再旋转右侧翻转手轮将模具直立过来,呈下抽芯状态,待金属液冷却;(6)拔出定位销,旋转右侧翻转手轮使本体型下芯部位朝上,然后锁定;(7)抽芯,取出两组型芯组;(8)旋转左侧进给手轮移动左本体型,进行开型,取出铸件。通过翻转机构的一连串动作,使浇注时处于下抽芯位置,待铝液凝固后将模具翻转180°变为上抽芯,实现了将下抽芯工艺与传统上抽芯手工操作的结合。5铸造工艺的优点对这种工艺进行了生产验证,对得到的铸件沿毛坯热节处剖开,未发现缩孔、缩松缺陷。铸件重0.90kg,浇口重0.16kg,工艺出品率为85%。并且各项性能指标都在国标范围以内。通过实际生产可知:(1)根据活塞本身的结构特点,采用底注式的下抽芯浇注工艺,更符合顺序凝固原则;(2)设置保温顶冒口,并使用模数法计算冒口尺寸,提高了冒口的补缩作用,可改善铸件质量、增加了铸件工艺出品率(从小于50%到85