淺談鋁活塞鑄造缺陷分析范文

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摘要：簡要介紹了鑲耐磨鑲圈活塞無損檢測廢品率高的原因和影響因素，并以一個典型產品為例說明澆道設計對活塞質量的影響。

關鍵詞：耐磨鑲圈；無損檢測；澆道設計；活塞質量

活塞是發動機的核心部件，在缸體內的工作環境十分惡劣。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槽鑲奧氏體耐磨鑲圈技術。活塞環槽鑲耐磨鑲圈，不僅可以提高活塞的耐磨性，還可以延長活塞的使用壽命。當鑄造條件不當時，活塞鋁基體和鑄鐵鑲圈結合層會產生氧化皮、夾渣等鑄造缺陷，嚴重時會導致活塞開裂。由于活塞鑲環工藝要求嚴格，鑲環廢品率過高是活塞生產廠家的一個難題。鑲圈缺陷雖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.生產現狀

BH1303-1活塞是我公司為某汽車廠設計研發的一款重點柴油機產品。該產品頂部鑲耐磨鑲圈，且帶有內冷油道，采用我公司自主研發的QZ180A全自動鑄造機生產，工藝穩定性強，生產效率高。該產品廢品率一直在10%以上，由于供貨量大，鑄造廢品給我公司帶來了很大的經濟損失，同時對我公司的計劃排產也造成了很多困擾，因此我們針對該產品進行重點改進。

2.廢品統計分析

（1）通過統計，2017年上半年共生產BH1303-1活塞50058只，產生鑄造廢品6570只，鑄造廢品率高達13.12%（見表1）。（2）鑲環鋁活塞的鑄造廢品類型主要有鑲環廢品、夾渣和縮松等。針對BH1303-1產品的鑄造廢品類型進行統計分析（見表2），鑲環廢品占整個鑄造廢品的88%，因此降低鑲環廢品率是解決BH1303-1活塞鑄造廢品率過高的關鍵。

3.原因分析

鑲環廢品一般有環下氧化皮、滲環不合格、滲鋁層斷裂幾種形式。為確定具體的環廢形式，我們把耐磨鑲圈從廢品活塞上破壞剝離下來進行觀察。共取10只活塞進行破壞性試驗，發現全部為環下氧化皮廢品（見圖1），并且氧化皮全部都在位于澆道同一側的同一位置區域內。在傾轉澆注時，鑲圈a側最先接觸到鋁液，即最先接觸到鋁液表面的氧化物。根據試驗結果，氧化皮固定出現在偏離ab中心線的固定區域c內，說明澆注過程中c處的鋁液沖刷效果不好。側注式澆注系統在活塞上應用較為廣泛，當個別活塞長徑比較大時，傳統的開放式澆注系統鋁液對鑲環沖刷力偏弱，會造成鑲環無損檢測廢品較高。將目前使用的傳統澆注系統建立3D模型，導入MAGMA軟件進行鑄造模擬分析。通過對澆注模擬過程反復觀察分析發現：活塞澆注系統內澆道的流速取決于壓頭的大小。當澆注量小時，現有的開放式澆注系統由于澆注時間比較短，整個澆注過程中鋁液流速變化不明顯；當澆注量大時，澆注時間相對增加，特別是在澆注后期，隨著模具型腔內外液位差逐漸降低，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上，不容易被沖刷下來，從而產生環下氧化皮廢品。

4.制訂措施及實施

為防止鑲環氧化皮廢品，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。但是從實踐中發現，動力源過高，澆注鋁液流速快，鋁液的表面張力就不能約束液流，鋁液在澆注過程中不能保持平穩充型，會將空氣中的氧氣卷入鋁液中，氧氣與鋁液反應生成氧化物。在平穩澆注時，鋁液外表致密的氧化層會隔絕氧氣，保護鋁液內部不被氧化。保持原有的澆口杯高度不變，在之前側式縫隙澆注系統（見圖3）的基礎上，我們更改了橫澆道與內澆道和直澆道的結合方式，橫澆道下移形成了類似底注的側式澆注系統。直澆道與橫澆道采用圓滑過渡，結合目前使用的自動傾轉澆注工藝可以最大限度地保持鋁液的平穩充型。將更改后的模具結構進行鑄造過程模擬，發現澆注過程鋁液流向與之前產生環下氧化皮位置區域重合，因此更改后澆注鋁液對鑲圈的沖刷效果較好。

5.改進效果

將更改后的模具進行試驗生產，我們取10個活塞進行破壞性試驗，未發現環下氧化皮廢品。經過幾次小批量生產驗證后，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。經過統計，2017年下半年共生產BH1303-1活塞63450只，共產生料廢3742只，鑄造綜合廢品率5.9%，其中鑲環廢品率大幅降低，改進效果明顯。

6.結語

本文只是針對BH1303-1活塞分析了鑄造缺陷的產生原因及應對措施，并提供了解決問題的思路。合理的澆注系統不僅可以保證鑄件的內在質量，還可以提高鋁液的鑄件出品率和生產效率，產生的經濟效益十分顯著。在實際生產中，活塞結構種類繁多，鑄造缺陷更加復雜。只要基于活塞的鑄造原理，從工藝、模具、過程控制出發，不難找出鑄造缺陷的主要成因。再用模擬軟件輔助，通過現場試驗改進，可最終解決問題。

參考文獻：

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[3]孫國臣，顏魯濱，齊鵬.大功率柴油機活塞鑲圈缺陷的分析與改進[J].內燃機與配件，2012（2）：17-21.

作者：王云峰；王劍；李曉婧；鄧士東；商玉猛；高青