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镶嵌耐磨圈活塞浇铸工艺分析及模具优化设计.pdf

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镶嵌耐磨圈活塞浇铸工艺分析及模具优化设计.pdf

金属铸锻焊技术CastingForgingWeldingHotWorkingTechnology2008,Vol.37,No.212008年11月现代活塞基本上都由铝合金浇铸而成,对于高温、高压和高速运动状态下工作的大功率柴油发动机来讲,铝合金环槽与铸铁或钢的活塞环是不匹配的,因为铝合金活塞硬度为75~105HB,铸铁活塞环的硬度为140~190HB。常温下两者强度差的不多,但在250℃以上时,铝合金的强度、硬度急剧下降1。铝合金环槽很容易磨损,磨损导致侧隙增大,使活塞环的密封性能下降,高温燃气从侧隙、背隙流向曲轴箱,使发动机功率下降,机油消耗增加。为了提高活塞的使用寿命,通常的做法是在活塞环槽部位用铸铁做一个或多个耐磨镶圈,浇铸活塞时将耐磨圈镶铸进去,而活塞的其余部份仍用铝合金。这样的活塞,其环槽象铸铁一样耐高温、耐磨损,而质量像铝合金一样轻。镶嵌耐磨圈活塞如图1所示。活塞镶入耐磨镶圈后,环槽的耐磨性增强,活塞的寿命大幅度提高,重负荷柴油机活塞寿命可提高2~5倍,中等负荷柴油机活塞寿命可提高收稿日期20080527作者简介章迪康(1964),男,浙江绍兴人,硕士,工程师、讲师,主要从事模具设计与铸造方面的研究和教学工作电话057788310974Emailzdk01zjitc.net1234567891耐磨镶圈上侧面2耐磨镶圈下侧面3活塞本体4耐磨镶圈5第二环槽6镶钢根7油环槽8销孔9裙部图1镶耐磨圈活塞图Fig.1Pistonenchasedwearingring镶嵌耐磨圈活塞浇铸工艺分析及模具优化设计章迪康(浙江工贸职业技术学院模具教研室,浙江温州325003)摘要铝基活塞镶嵌耐磨圈是大功率内燃机的一个发展方向。由于活塞本体与镶嵌圈所用的材料不同,性能相差悬殊,且又是在高温环境下工作,本体层与镶嵌层粘接质量对于活塞寿命至关重要。镶圈活塞的铸造过程对粘接质量起决定性作用。对镶圈活塞的浇铸工艺及铸造模具设计进行优化设计,以此提高粘接质量,从而延长了镶圈活塞的使用寿命。关键词镶嵌耐磨圈活塞浇铸模具粘接质量中图分类号TG249.3文献标识码A文章编号10013814200821013403CastingTechnologyAnalysisofPistonEnchasedWearingRingandOptimizationDesignofDieZHANGDikang(Moldfacultyworkingoffice,ZhejiangIndustryTradePolytechnic,Wenzhou325003,China)AbstractAluminumbasedpistonenchasedwearingringisadevelopmentdirectionofhighpoweredgasengine.Thebondingqualitybetweenbaselayerandincrustationlayerisallimportanttopistonlife,becausethematerialofbasepistonandwearingringisdifferent,andthereisgreatdifferencebetweentheircapability,furthermore,theyworksinhightemperature.Thecastingprocessofpistonenchasedringinfluencesthebondingquality.Theoptimizationofcastingtechnologyanddiedesignofpistonenchasedwearingringishelpfultoimprovethebondingquality,andtolengthenthelifeofpistonenchasedring.Keywordspistonenchasedwearingringcastingmoldbondingquality●模具设计●134热加工工艺2008年第37卷第21期金属铸锻焊技术CastingForgingWelding上半月出版3~10倍,其优点是显而易见的。但由于铸铁与铝合金的热膨胀系数相差太大,在使用过程中常常会脱层,如何将两者浇铸成一体且很好地粘合,成了镶嵌耐磨圈活塞的一个技术难题,也是科研人员研究重点。经过多年的实验研究,发现铸铁层和铝合金层的粘合质量除了与选择的材料有关以外,其铸造工艺和模具结构也起到关键性的作用。本文就镶圈活塞铸造模具进行了优化设计研究1工艺分析图2是镶圈活塞的铸造工艺流程图。从中可看出,镶圈活塞的铸造工艺过程十分复杂。首先把镍基奥氏体铸铁环槽圈加工成品后,再进行渗铝处理,然后将其定位到铸造模具中,最后进行浇铸。由于铸铁膨胀系数约为11106mm/(℃mm),铝硅合金膨胀系数约为19106mm/(℃mm),两者之间的热膨胀系数相差太大,铸铁与铝合金粘接层在使用过程中极易脱落,所以渗铝、定位、合模、浇铸几道工序必须是连续的,在这一过程中,一定要保证在活塞本体铝合金溶液覆盖镶圈表面之前,耐磨镶圈表层的渗铝层仍然处于熔液状态,才能浇铸出铝铁粘结良好的镶圈活塞。试验证明,这一工艺延续时间极短,必须严格控制在30s以内。时间越短粘接质量越好,否则就会影响活塞本体的铝合金层与镶圈铸铁层之间的粘合质量。一旦粘合质量出现问题,那么活塞在工作时受到交变的冷热负荷和机械负荷的共同作用,铸铁的耐磨镶圈与铝活塞本体之间会产生松动甚至脱离。镶圈活塞浇铸模具设计必须满足这方面的工艺要求,所以镶嵌耐磨圈活塞的浇铸模具设计有别于普通金属浇铸模,这给模具设计增加了难度。2模具设计镶圈活塞浇铸模具构造如图3所示。2.1总体结构根据镶圈活塞浇铸的圈套定位准确迅速、铝液覆盖快等特点及要求,所设计的模具外模采用上下两级,用同一销轴将上下模的左右4块同时销住,使拆、合模迅速方便另外采用了液压上抽芯自动拆模系统,使镶圈放置定位方便设置了铝液复盖前有30°倾斜的液压装置,使浇道紧贴铸模内腔,防止了铝液的冲溅和减少氧化夹渣采用了蛇形浇道口和双冒口补缩,使镶圈部位能迅速渗过铝液和均匀补缩。2.2浇注系统的设计镶圈活塞的浇铸工艺与一般金属有较大的区别,其镶圈的定位、模具的合拢、金属液的浇注等几道工序是连续的,且有严格时间要求,这一要求主要靠浇注系统的结构来保证。所以镶圈活塞浇注系统的浇道与内浇口尺寸对铸件的质量,特别是铸铁层和铝合金层的粘合质量极为重要。为了使金属液在充型时流动平稳,避免涡流的产生以及不冲击型腔壁或芯型,同时又要尽可能减少浇口与浇道余料的清理工作量,因此采用了蛇形浇道口和双冒口补缩另外对浇注系统进行定量分析与估算。浇注系统内浇口最小截面积应用流体力学计算公式计算,即F内G0.31tμHP姨合金配料图2镶圈活塞生产浇铸工艺流程图Fig.2Productionprocessofpistonenchasedwearingring合金熔化变质处理模具设计镶圈铸造模具加工镶圈检验镶圈加工镶圈清洗镶圈渗铝镶圈装模活塞浇铸冷却处理活塞毛坯15141312111096781内模2镶圈3定位钉4上模5上模扣6下模7下模扣8浇铸台9出水口10盖板11进水口12平板13顶模14销轴15芯子图3镶圈活塞浇铸模构造Fig.3Diestructureofpistonenchasedwearingring12345135金属铸锻焊技术CastingForgingWeldingHotWorkingTechnology2008,Vol.37,No.212008年11月式中G为铸件铝合金液体总质量(即铸件质量和浇口质量总和,kg)F内为内浇口总截面积(cm2)t为浇注时间s,tSG姨,S为填充系数μ为流速系数,一般为0.4~0.5,本文取0.42HP为平均压力头cm。以吉普某型号活塞为例,铸件净质量为0.749kg,加工余量约占8,铸件公称质量为0.809kg,取浇冒口占铸件质量的20,则铸件的总质量为G0.8091200.971kg镶圈活塞平均壁厚约为8mm,则S取1.6,则tSG姨1.60.971姨≈1.58s所设计的活塞浇注口到铸件高度H105mm,铸件高度C92mm,那么平均压头F内G0.31tμHP姨0.9710.311.580.429.35姨1.554cm2计算出的浇口面积符合有关资料规定的铝合金总质量小于5kg时,最小浇口面积为1.5~3.0cm2的范围,故实际取浇口面积为2cm2。2.3冷却系统冷却系统,包括浇铸模内水冷系统和模外冷却系统。对于整个活塞浇铸过程来讲,模内冷却系统设计是否合理,直接关系到冷却速度,进而影响活塞内部金相组织及浇铸效率。浇铸模冷却系统设计如图3所示。因为活塞头部厚度大,热量散发困难,所以冷却系统直接设计在顶模内。进水管直达顶模上部,让低温冷却水直接送到顶模上部,通过热交换后从顶模底部流出,从而达到模内冷却目的另外高温活塞毛坯冷却也十分重要,从模内取出的毛坯直接放到温度在90℃左右的水中激冷,进一步优化内部组织。实践证明,冷却效果良好。2.4倾斜浇铸平台为了使镶圈活塞毛坯在浇铸过程中铝液流动平稳,避免涡流的产生和空气的卷入,浇铸模必须安放在倾斜浇铸平台上,如图4所示。当浇铸开始时,通过倾斜浇铸平台调整使浇铸模具倾斜30°。当注入模具的铝液将镶圈全部淹没后,平台汽缸开始工作,带动模具慢慢恢复到水平位置,此过程可将耐磨镶圈表面上粘附的氧化皮或渣子冲洗下来,上浮到顶部溢出,有利于排渣与排气,减少铸件氧化夹渣,提高了镶圈层与活塞本体铝合金层的粘结质量。2.5定位机构设计定位方式与定位凸台(爪)的数量及形状对粘接质量有较大的影响。渗铝后的镶圈,其表面铝液保持熔融状态的时间越长,越有利于粘接。镶圈活塞铸造模具采用图5所示的结构方式来定位,这种设计具有快速定位的特点,既有利于铝液迅速流过镶圈部位,同时也避免了铝液将镶圈上浮,从而影响镶圈的定位准确性。而定位凸台的数量及尺寸也必须加以控制,如果数量太多、尺寸过大,渗铝后的镶圈热量传递给凸台也越快,加快了耐磨圈的冷却速度,降低了接触层的粘接质量。一般镶圈浇铸模采用3个定位凸台,左半模设置2个,右半模设置1个,且均匀分布。定位凸台尺寸一般采用尖端宽度4~6mm,厚度为2.5~3.0mm。3结论(1)活塞镶嵌耐磨圈是大功率内燃机的一个发展方向,但是由于活塞本体是铝基材料,镶嵌的耐磨圈却是铸铁,两者性能相差(下转第139页)底板弹簧水箱机架油缸图4倾斜浇铸平台Fig.4Pouringdevicewithcontrolsystem模具镶圈外模图5镶圈在外模中的定位方式Fig.5Positioningwayofenchasedringinoutwarddieb136热加工工艺2008年第37卷第21期金属铸锻焊技术CastingForgingWelding上半月出版(上接第136页)悬殊,一旦接触层粘接质量出现问题,在高温环境下工作的活塞就易脱层。(2)通过对粘接质量起决定性作用的铸造工艺以及浇铸模具进行优化设计,较大幅度地提高了镶嵌活塞的粘接质量,从而延长了镶圈活塞的使用寿命。参考文献1苏道胜,刘国强.铝活塞耐磨镶圈J.内燃机配件,2004,23738.2李树林,韩丽萍,刘月芹.减小活塞镶圈位置偏移的工艺探讨J.内燃机配件,2003,21617.3田鲁栋,秦有志,王志强,等.柴油机活塞铸铁镶圈粘接分离问题研究J.内燃机配件,2007,217.4FranzGuenterCantow,韩树明.大缸径发动机活塞环J.国外内燃机车,2007,2310.参考文献1罗兵辉,柏振海.高性能铝合金研究进展J.兵器材料科学与工程,2002,55962.2杨蕴续.铝及铝合金焊接工艺及缺陷分析J.甘肃有色金属,2000,(4)21243MehtaDS,MasoodSH,SongWQ.InvestigationofwearpropertiesofmagnesiumandaluminumalloysforautomotiveapplicationsJ.JournalofMaterialsProcessingTechnology155156200415261531.4王婕.复杂壳体零件数控加工技术J.航空精密制造技术,2005,64346.5谢建新,刘静安.金属挤压理论与技术M.北京冶金工业出版社,2001.6孙峰.温挤压技术在铝合金壳体类零件成形上的应用J.新技术新工艺,2007,(2)2122.9101112131415896543211下模板2紧固螺栓3垫块4预应力圈5挡料板6双头螺栓7紧固螺栓8上模板9销钉10凸模固定圈11卸料板镶块12凹模13凸模14垫块15顶杆图5反挤压模具示意图Fig.5Sketchofdieduringbackwardextrusion山东鲁阳股份有限公司山东鲁阳股份有限公司,始建于1984年,历经二十余年的拼搏奋斗,已发展成为亚洲地区规模最大的耐火纤维生产厂家,公司现有员工2200余人,占地面积近百万平方米,总资产六亿元。公司下设北京中耐联、上海鲁阳、新疆鲁阳、贵州鲁阳、青岛赛顿、鲁阳轻钢、鲁阳光学玻璃八家子公司,并在全国设有56个办事处产品拥有棉、毯、毡、板、纸、布、绳、模块、浇注料等不同形态近百个品种,年生产能力超过10万吨。产品畅销全国并远销欧盟、美国、加拿大、澳洲、日本、沙特、台湾等六十多个国家和地区,已连续十二年荣登国内同行业榜首位置。建厂二十几年来,坚持依靠科技求发展,立足市场求效益的发展方针,大力开展创新活动,不断提升规模优势、品种优势、技术优势与成本优势,使公司始终走在行业发展的最前沿,以实实在在的业绩赢得了社会尊重和政府认可。公司先后被认定为中国最大硅酸铝耐火纤维生产基地、国家重点高新技术企业、国家新材料产业化基地骨干企业鲁阳商标先后被认定为中国驰名商标、国家免检产品、中国名牌产品含锆纤维、陶瓷纤维纸等产品荣获国家级重点新产品等荣誉称号并在国内同行业中率先通过了IS090012000版质量体系认证和ISO14001环保体系认证先后取得专利技术42项、科技成果28项,2006年11月30日在深圳证券交易所A股中小企业板正式挂牌上市交易,成为名副其实的高科技、高增长型的现代化企业集团。地址山东省沂源县城沂河路11号邮编256120热线电话05333288784封面说明139

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