轻有色合金特种铸造及有色合金2 0 1 0 年第3 0 卷第1 2 期 镶钢片活塞的金属型铸造 陈维建 ( 包头铁道职业技术学院) 摘 要对镶钢片活塞的铸造生产，从金属型设计、钢片制备、浇注工艺及质量控制等方面进行了论述。 关键词活塞；钢片；金属模；浇注工艺 中图分类号T G l 4 6 2 + 1文献标志码A 文章编号1 0 0 1 2 2 4 9 ( 2 0 1 0 ) 1 2 1 1 5 9 0 3 D O I ：1 0 3 8 7 0 t z z z 2 0 1 0 1 2 0 2 7 铝合金活塞的一个突出缺点是热膨胀系数较大。 在内燃机工作时，活塞中上部温度高，膨胀变形，会影响 内燃机工作性能。为解决这一问题，在内燃机活塞结构 设计中采用了镶嵌钢片、钢圈，甚至镶嵌钢筒。因镶嵌 钢片，活塞的铸造从模具、浇注工艺到现场管理都要采 取相应的措施，以保证此类活塞的品质。 镶钢片活塞的结构有3 种，见图1 。图1 a 为活塞 两销孔座各镶一个封闭销孔的钢片，图1 b 为活塞两销 孔座各镶一个环绕上半销孑L 的钢片，图1 c 为钢片镶在 活塞油环槽下方。 ( a ) 活塞两销孔座各( b ) 活塞两销孔座各( c ) 油环槽下方镶钢片 镶一个封闭销孔镶一个环绕上半 的钢片销孔的钢片 图1镶钢片活塞的结构 1镶钢片活塞的铸造工艺 1 1 浇注位置 镶钢片活塞的铸造方式与单一铝合金活塞的相同， 均为金属型重力铸造。有2 种浇注位置，3 种工艺形 式：活塞顶部向下的手工上抽芯方式；浇注时活塞 顶部向上的手工翻转方式；铸造机的下抽芯方式，见 图2 。 活塞上抽芯铸造工艺出品率低，活塞金相***不稳 定，但模具成本低、制作周期短；翻转铸模工艺出品率较 高，活塞金相***好，但操作强度大，生产效率不高；铸 造机生产，活塞***质量好、效率高，工艺出品率高，但 投资大。对于镶钢片活塞，根据生产批量，这3 种模具 都在使用。般生产批量大时( 数量超过万件) 选用铸 一瑚C a ) 上抽芯铸件( b ) 下抽芯铸件 图2 镶钢片活塞的两种浇注位置 造机生产，小批量生产使用手工翻转或上抽芯方式。本 课题主要论述的是活塞顶部向上的模具设计及相关问 题。 I 2 浇注系统 采用直浇道为圆角矩形截面，矩形截面的厚宽比为 1 0 ：3 5 左右。过滤网安放在有直浇道外模的直浇道 下部。注意过滤网的通过率，以满足浇注速度的要求。 内浇道也为圆角矩形截面，厚高比为1 ：( 4 6 ) 。中小 型活塞内浇道厚度为4 6r a m ( 设计时应增加涂料层 厚度) ，内浇道高度为2 0 3 5m l T l 。 1 3 收缩率与加工余量 当活塞材质为共晶铝硅合金( 如Z L l 0 8 、Z L l 0 9 、 A C 8 A 、A 1 3 2 、M a h l e - 1 2 4 等) 时，其受阻收缩率为 0 6 0 8 ，以此考虑型腔尺寸收缩量。活塞外圆单 边留加工余量0 8 1 3m m ，活塞顶部及燃烧室留加 工余量1 5 2 0m m ，止口留加工余量1 2 1 5m m ， 销孔单边留加工余量0 7 1 2t r i m 。 1 4 冒口 若为平顶活塞或有机加工的燃烧室，在顶部***设 置冒口。若顶部有铸态燃烧室，则根据燃烧室的周边位 置设置冒口。普通冒口的最小直径为顶部壁厚的2 5 3 0 倍。若为保温冒口，冒口的最小直径为顶部壁厚的 2 0 2 5 倍。 1 5 外模 根据批量，选用单一耐热铸铁或铸铁模框与热作模 具钢( 如3 0 C r M o 、H 1 3 、3 C r 2 W 8 V 等) 模块相配，以及 收藕日期：2 0 1 0 0 5 1 8 作者简介：陈维建，男，1 9 5 5 年出生，高级工程师。包头铁道职业技术学院，内蒙古包头市东河区巴彦塔拉大街4 6 号( 0 1 4 0 4 0 ) ，电话：0 4 7 2 - - 6 9 1 5 3 5 3 ， 1 3 9 4 7 2 6 1 4 5 9 ，E m a i l ：c h e n w e i j i a n n m 1 6 3 c o r n 1 1 5 9 万方数据 一特种铸造及有色合金2010年第30卷第12期 调节外模温度用的碳素钢、黄铜镶块等。外模壁厚以该 活塞毛坯裙部壁厚艿为基本单位。模具外廓壁厚取 6 8 ，对应毛坯外圆处壁厚取4 8 ，直浇道和集渣包处取 2 8 ，销孔芯与外模配合孔轴向长度取( 1 2 1 4 ) 占，普通冒 口壁厚取1 2 8 ，外模与芯模配合圆柱面高度取( 1 0 1 2 ) 艿，其他部位壁厚根据结构而定。如果通过变化模壁 厚度达不到建立顺序凝固温度场的作用时，应考虑安置 局部***或保温镶块，尽量不在活塞毛坯上设置补贴 条。在有直浇道的外模直浇道下部设置集渣包。设置 带有插过滤网缝的凸块，与另一外模的凹孑L 配合。为提 高外模的刚度，外模的上下前后轮廓应设计成箱体状及 增设适当厚度的筋板。当左右外模合在一起时，模具外 廓应成为箱体形状。 1 6 芯模及芯模与外模配合 芯模采用热作模具钢，一般分成5 块，分别为两个 形成销孔座的边芯、形成裙部内侧的两个侧芯及中芯。 为顺利实现芯模上升与从活塞中抽出及减小芯间摩擦， 将中芯与侧芯、中芯侧芯与边芯上下运动方向上做成约 2 。的出芯斜度。同样在形成活塞内腔的各芯间做成出 芯小台阶。即中芯比侧芯高0 1 5 0 2 5m m 、侧芯比 边芯高0 1 5 O 2 5m m 。为提高活塞内表面质量及延 长芯模寿命，芯模定型后进行表层氮化处理。 为使钢片顺利镶铸于活塞中，在边芯与钢片相近易 憋气处( 尤其是上抽芯模具) ，开设排气道，镶人( 4 6 ) m m 的排气塞，视情况确定排气塞数目。如拉达 2 1 0 5 、波罗乃兹、C A 4 8 8 1 活塞的钢片两端为凸凹形，见 图3 。在两边芯对应的部位开设排气道，镶排气塞。图 4 为边芯上镶排气塞的结构。 图3C A 4 8 8 活塞钢片 边芯饲芯中芯侧芯 沁考心弋心茭划 垂直气道 横气道 气塞道 气塞 图4 边芯上镶排气塞结构 销孔芯一般应根据具体结构确定。如C A 4 8 8 1 活 塞销孔下部至止口处为局部厚大的热节，距上部冒口远 1 1 6 0 且相邻上方狭窄。为防止此处形成缩松***，将销孔芯 设计成扁形，使该部位之上形成补缩通道，在浇注凝固 时此部位能得到上部的补缩而***致密，见图5 。 图5C A 4 8 8 活塞扁销孔铸件 芯模与外模配合有两种形式，一是手工翻转模的外 模与芯模的直接配合锁紧，配合间隙为0 1 0 0 2 5r a n 2 ， 间隙在轴向应为下大上小的锥形；二是铸机模芯与固定 的箍套配合，箍套被相对合拢的外模抱紧配合，模芯与箍 套的间隙、箍套与外模的间隙均为0 1 0 o 1 5r D A T I 。 1 7 钢片在铸型中的安置 钢片被固定在芯模上，必须位置正确，安装牢固， 经受得住合模的振动与浇注充型时铝液的冲击。安装 情况分为4 种。第1 种，钢片以其上的两个小孔挂在边 芯销上，再被外模合模时夹紧；第2 种，钢片上也有两个 小孑L ，挂在边芯的销上，边芯上装有耐热磁铁吸住钢片； 第3 种，钢片上无孔，以其外廓嵌入边芯上对应的浅槽 内，再被边芯上的耐热磁铁吸住；第4 种，钢片镶在活塞 油环槽下方，被嵌入两边芯上的四处水平方向的凹槽 内。后3 种方式外模不参与固定钢片。综上，边芯上应 有挂片销，镶入耐热磁铁，有嵌钢片的浅槽和凹槽，外模 上设置夹紧块、夹紧销。第3 种边芯上嵌钢片的浅槽深 度不应超过钢片厚度的二分之一，否则钢片除销孔座以 外会与活塞分离。 1 8 顶模 顶模是在活塞顶部有铸态燃烧室时要用的。首先 燃烧室的形状要达到技术要求，在高度方向上还要保证 燃烧室距内顶的距离，因为这两处是不进行加工的。如 果燃烧室旁边位置允许，可以设置边冒口。冒口必须设 计成下大上小的锥台形，以实现顶模向上出模。 2钢片的制备 钢片材质多数为优质低碳钢板，少数为含镍的低碳 合金钢。厚度为1 3 1 6m m 。钢片经冷冲压、去除 毛刺及表面发蓝或镀锌而成。从铸造成形及使用考虑， 对钢片有三点要求。一是钢片与芯模构成的窄小空间 部位，为使活塞顺利浇注成形钢片该处应为最小实体尺 寸。在设计钢片冲模时保证；二是去除钢片的毛刺、锐 万方数据 镶钢片活塞的金属型铸造陈维建 冀：囊茎塞室霎婴鬈竺姜磐曼毳f 是钢片表面不得5 质量控制 有不牢固镀层、污斑及遇热发气物等。 。 似呈1 工r I 叫 3验证模具 金属型制成与钢片制备后进行模具验证。主要内 容为：活塞毛坯形状，钢片在活塞中的位置，***规定及 不规定的关键部位，检验宏观***，化验铝合金成分，热 处理后检验金相***，力学性能，余量试切，质量验证及 小批量考核铸造废品率。 4 浇注工艺 4 1 铸型涂料 外模预热至1 5 0 1 8 0 时，在浇道、冒口处喷刷 0 3 0 6m m 厚的涂料。分几次喷刷才能达到涂层牢 固及厚度的要求。芯模预热至2 0 0 左右时，喷涂润滑 与易脱模的水剂石墨。浇注中也经常喷涂。 4 2 钢片预热 用加热盘( 可以是燃气或***线热源) 将钢片预热 至3 0 0 ，待用。 4 3 浇注温度与浇注速度 浇注温度在7 2 07 8 0 之间，壁薄小活塞取上限 浇注温度。浇注速度以3 0 0 4 0 0g s 为宜。 5 1 过程控制 镶钢片活塞铸造生产容易出现浇不足、冷隔，钢片 位置偏移，缩松等***。镶钢片活塞因尺寸、结构、钢片 类型、合金牌号及铸模等方面的原因，铸造时所发生的 ***不尽相同，但在分清类型，确定原因后选择合适的 方法能够大幅度降低铸造废品率n 。 5 2 回炉料使用 试制、生产中会出现镶钢片活塞废件。因其中有铁 质钢片要严格管理，镶钢片活塞废铸件及机加工产生的 废品要专门存放，统一熔化清除钢片，所得铝合金铸锭 做标记，与化学成分检验单相对应。依据每批废料锭的 化学成分计算数量，回炉使用。 6结语 为保证铸造出优质、高合格率的镶钢片活塞，从模 具设计制造、铝合金熔制、钢片质量、模具状况、浇注工 艺、作业环境、过程检验等铸造生产的全过程严格控制， 这类活塞的铸造***可以保持在较低的水平，有的铸造 合格率还高于单一铝质活塞。几种镶钢片活塞铸造工 艺参数见表l 。 表1几种镶钢片活塞铸造工艺参数 序号项目拉达2 1 0 3拉达2 1 0 5 C A 4 8 8 1C A 4 8 8 14 9 5 Q 钢片类型 合金牌号 毛坯直径m m 毛坯高度m m 浇注位置 过滤网 裙部壁厚m m 冒口直径m m 外模材质 芯模材质 浇道壁厚m m 外模擘厚m m 外廓壁厚m m 销芯座长度m m 浇注温度 毛坯质量g 铸件质量g 出品率 考核批量( 件) 宏观优良率 平均铸废率 * 注：宏观优良率是指按J B T 6 2 9 8 2 0 0 5 规定，剖开此型活塞毛坯检测宏观***的分散与集中孔洞级别为1 级、2 级、3 级的数量占此型活塞毛坯剖开 总数的百分比。 参考文献 1 3 张耀庆汽油机活塞结构特点 J 3 内燃机配件，1 9 8 8 ( 2 ) ：5 9 6 2 2 3 黄恢元铸造非铁合金( 铸造手册第三卷) M 北京：机
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