淺談鋁活塞鑄造缺陷分析

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1、淺談鋁活塞鑄造缺陷分析 淺談鋁活塞鑄造缺陷分析 2018/09/01 摘要：簡要介紹了鑲耐磨鑲?cè)钊麩o損檢測廢品率高的原因和影響因素，并以一個(gè)典型產(chǎn)品為例說明澆道設(shè)計(jì)對活塞質(zhì)量的影響。 關(guān)鍵詞：耐磨鑲?cè)?；無損檢測；澆道設(shè)計(jì)；活塞質(zhì)量 活塞是發(fā)動機(jī)的核心部件，在缸體內(nèi)的工作環(huán)境十分惡劣。隨著汽車性能的提高，對活塞的要求也越來越高。為了達(dá)到活塞耐高溫、耐磨損等性能，活塞廠家會采用基于阿爾芬法的活塞環(huán)槽鑲奧氏體耐磨鑲?cè)夹g(shù)?；钊h(huán)槽鑲耐磨鑲

2、圈，不僅可以提高活塞的耐磨性，還可以延長活塞的使用壽命。當(dāng)鑄造條件不當(dāng)時(shí)，活塞鋁基體和鑄鐵鑲?cè)Y(jié)合層會產(chǎn)生氧化皮、夾渣等鑄造缺陷，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致活塞開裂。由于活塞鑲環(huán)工藝要求嚴(yán)格，鑲環(huán)廢品率過高是活塞生產(chǎn)廠家的一個(gè)難題。鑲?cè)θ毕蓦m然可以通過超聲波無損檢測出來，但從鑄造源頭降低廢品率才是解決問題的根本。 1.生產(chǎn)現(xiàn)狀 BH1303-1活塞是我公司為某汽車廠設(shè)計(jì)研發(fā)的一款重點(diǎn)柴油機(jī)產(chǎn)品。該產(chǎn)品頂部鑲耐磨鑲?cè)?，且?guī)в袃?nèi)冷油道，采用我公司自主研發(fā)的QZ180A全自動鑄造機(jī)生產(chǎn)，工藝穩(wěn)定性強(qiáng)，生產(chǎn)效率高。該產(chǎn)品廢品率一直在10%以上，由于供貨量大，鑄造廢品給我公司帶來了很大

3、的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)對我公司的計(jì)劃排產(chǎn)也造成了很多困擾，因此我們針對該產(chǎn)品進(jìn)行重點(diǎn)改進(jìn)。 2.廢品統(tǒng)計(jì)分析 （1）通過統(tǒng)計(jì)，2017年上半年共生產(chǎn)BH1303-1活塞50058只，產(chǎn)生鑄造廢品6570只，鑄造廢品率高達(dá)13.12%（見表1）。（2）鑲環(huán)鋁活塞的鑄造廢品類型主要有鑲環(huán)廢品、夾渣和縮松等。針對BH1303-1產(chǎn)品的鑄造廢品類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（見表2），鑲環(huán)廢品占整個(gè)鑄造廢品的88%，因此降低鑲環(huán)廢品率是解決BH1303-1活塞鑄造廢品率過高的關(guān)鍵。 3.原因分析 鑲環(huán)廢品一般有環(huán)下氧化皮、滲環(huán)不合格、滲鋁層斷裂幾種形式。為確

4、定具體的環(huán)廢形式，我們把耐磨鑲?cè)膹U品活塞上破壞剝離下來進(jìn)行觀察。共取10只活塞進(jìn)行破壞性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)全部為環(huán)下氧化皮廢品（見圖1），并且氧化皮全部都在位于澆道同一側(cè)的同一位置區(qū)域內(nèi)。在傾轉(zhuǎn)澆注時(shí)，鑲?cè)側(cè)最先接觸到鋁液，即最先接觸到鋁液表面的氧化物。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，氧化皮固定出現(xiàn)在偏離ab中心線的固定區(qū)域c內(nèi)，說明澆注過程中c處的鋁液沖刷效果不好。側(cè)注式澆注系統(tǒng)在活塞上應(yīng)用較為廣泛，當(dāng)個(gè)別活塞長徑比較大時(shí)，傳統(tǒng)的開放式澆注系統(tǒng)鋁液對鑲環(huán)沖刷力偏弱，會造成鑲環(huán)無損檢測廢品較高。將目前使用的傳統(tǒng)澆注系統(tǒng)建立3D模型，導(dǎo)入MAGMA軟件進(jìn)行鑄造模擬分析。通過對澆注模擬過程反復(fù)觀察分析發(fā)現(xiàn)：活塞澆注系統(tǒng)

5、內(nèi)澆道的流速取決于壓頭的大小。當(dāng)澆注量小時(shí)，現(xiàn)有的開放式澆注系統(tǒng)由于澆注時(shí)間比較短，整個(gè)澆注過程中鋁液流速變化不明顯；當(dāng)澆注量大時(shí)，澆注時(shí)間相對增加，特別是在澆注后期，隨著模具型腔內(nèi)外液位差逐漸降低，壓頭越來越小，鋁液流速就會變慢。鋁液沒有充足的動力源，一旦液面上氧化薄膜黏附在鑲環(huán)上，不容易被沖刷下來，從而產(chǎn)生環(huán)下氧化皮廢品。 4.制訂措施及實(shí)施 為防止鑲環(huán)氧化皮廢品，鋁液在澆注過程中要保證有足夠的壓頭和盡可能快的澆注速度。理論上分析，增加動力源與型腔之間的高度位置差，可以加大壓頭，增加澆注速度。但是從實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，動力源過高，澆注鋁液流速快，鋁液的表面張力就不能

6、約束液流，鋁液在澆注過程中不能保持平穩(wěn)充型，會將空氣中的氧氣卷入鋁液中，氧氣與鋁液反應(yīng)生成氧化物。在平穩(wěn)澆注時(shí)，鋁液外表致密的氧化層會隔絕氧氣，保護(hù)鋁液內(nèi)部不被氧化。保持原有的澆口杯高度不變，在之前側(cè)式縫隙澆注系統(tǒng)（見圖3）的基礎(chǔ)上，我們更改了橫澆道與內(nèi)澆道和直澆道的結(jié)合方式，橫澆道下移形成了類似底注的側(cè)式澆注系統(tǒng)。直澆道與橫澆道采用圓滑過渡，結(jié)合目前使用的自動傾轉(zhuǎn)澆注工藝可以最大限度地保持鋁液的平穩(wěn)充型。將更改后的模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行鑄造過程模擬，發(fā)現(xiàn)澆注過程鋁液流向與之前產(chǎn)生環(huán)下氧化皮位置區(qū)域重合，因此更改后澆注鋁液對鑲?cè)Φ臎_刷效果較好。 5.改進(jìn)效果 將更改后的模

7、具進(jìn)行試驗(yàn)生產(chǎn)，我們?nèi)?0個(gè)活塞進(jìn)行破壞性試驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)環(huán)下氧化皮廢品。經(jīng)過幾次小批量生產(chǎn)驗(yàn)證后，鑄造廢品率較之前有明顯降低。因此我們將更改后的模具用于批量生產(chǎn)。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，2017年下半年共生產(chǎn)BH1303-1活塞63450只，共產(chǎn)生料廢3742只，鑄造綜合廢品率5.9%，其中鑲環(huán)廢品率大幅降低，改進(jìn)效果明顯。 6.結(jié)語 本文只是針對BH1303-1活塞分析了鑄造缺陷的產(chǎn)生原因及應(yīng)對措施，并提供了解決問題的思路。合理的澆注系統(tǒng)不僅可以保證鑄件的內(nèi)在質(zhì)量，還可以提高鋁液的鑄件出品率和生產(chǎn)效率，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。在實(shí)際生產(chǎn)中，活塞結(jié)構(gòu)種類繁多，鑄造缺陷更加復(fù)雜。

8、只要基于活塞的鑄造原理，從工藝、模具、過程控制出發(fā)，不難找出鑄造缺陷的主要成因。再用模擬軟件輔助，通過現(xiàn)場試驗(yàn)改進(jìn)，可最終解決問題。 參考文獻(xiàn)： [1]秦有志，王志強(qiáng)，劉世英.柴油機(jī)活塞鑄鐵鑲?cè)φ辰臃蛛x問題研究[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2007（2）：2-5. [2]張屹林，楊景飛.鋁活塞耐磨鑲?cè)﹁T造缺陷分析[J].熱加工工藝，2008（13）：113-117. [3]孫國臣，顏魯濱，齊鵬.大功率柴油機(jī)活塞鑲?cè)θ毕莸姆治雠c改進(jìn)[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2012（2）：17-21. 作者：王云峰；王劍；李曉婧；鄧士東；商玉猛；高青 上一個(gè)文章： 整體鑄造短軸組件在破碎機(jī)的應(yīng)用下一個(gè)文章： 沒有了