大型铝活塞的金属型铸造

生产技术特种铸造及有色合金　1999年第4期

大型铝活塞的金属型铸造

中国兵器工业第五二研究所宁波分所　侯林冲3　张欣洪

摘　要　介绍了用金属型铸造大型铝活塞的新工艺

关键词:铝合金　活塞　金属型铸造

Grav ity D ie Ca sti ng for Heavy A lu m i nu m A lloy P iston

Hou L i nchong　Zhang X i nhong

(N i ngbo Branch No.52Research I n stitute of M il itary I ndustry P.R.C.)

ABSTRACT　In th is p ap er,the new techn ique of gravity die casting fo r heavy alum inum alloy p iston is in troduced.

Key W ords:A lu m i nu m A lloy,P iston,Grav ity D ie Ca sti ng

目前,绝大多数内燃机铝活塞铸造以金属型手工浇注为主。我所受外商委托仿制的国外某大型船用柴油机活塞,产品质量119kg,直径<410mm,高度达649.5 mm,壁厚相差悬殊(顶部80mm,裙部20mm),材质为Z L109合金。由于该活塞带高镍奥氏体耐磨镶圈和内冷油管,且铸造质量要求高,不允许任何肉眼可见的气孔、缩松、裂纹、夹渣等缺陷,技术难度较大。我们根据长期生产船用柴油机活塞的生产经验,选择了翻转式金属型下抽芯重力浇注的工艺方案,承担了这一高难度活塞的铸造并获得圆满成功。

1　金属型设计

1.1　金属型结构设计

分析该活塞特点,考虑到活塞体积大、高度高且带耐磨镶圈和内冷油管,为了保证铸造质量及金属型的开合方便,采用图1所示的翻转式金属型结构,它具有如下特点

:

图1金属型结构示意图

F ig.1Sketch of die structure

(1)采取下抽芯工艺,顶部厚大部位在上,符合顺

　3　侯林冲,男,1968年出生,工程师,中国兵器工业第五二研究所宁波分所,宁波303信箱(315041) 收稿日期:1998-12-12

而各层膨胀性有所不同,产生外层受拉、内层受压的热应力,这种应力因加固层存在气孔而使应力得到有效分散,同时产生的型壳裂纹扩展也因气孔存在而被阻断,使铸件在凝固收缩时型壳的应力影响降低,强度也随着下降,溃散性得以提高。另外,由于多孔型壳可有效地减缓传热,保温性好(特别是在真空条件下),优于普通型壳,在浇注薄壁铸件时这种缓慢冷凝形式可有效减少铸件各部分温差,从而减小铸件产生热裂的倾向。

用上述方法制成的多孔性型壳具有以下特点:型壳在高温下具有足够的强度,而残留强度明显降低;型壳易于干燥,保温性好,能有效地减缓浇注时的热应力;但型壳强度及抗变形能力减弱,如掌握不好还会造成漏钢及铸件变形而报废的情况。因此,在型壳涂制过程中要严格控制涂料粘度及干燥条件。浇注后的型壳经清砂表明:型壳残留强度明显下降,且所铸叶片叶形完整,表面光洁,裂纹大幅度减少。

3　结　论

(1)复合涂料制成的多孔性型壳具有高温强度好、残留强度低的优点。

(2)全硅溶胶多孔型壳浇注的叶片,表面光洁,尺寸精度高,而且大大降低了叶片产生裂纹的倾向。

(3)利用复合涂料制壳工艺生产高温合金无余量薄壁叶片的工艺是可行的。

(编辑:张振斌)

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序凝固原则,铸造质量得到保证,工艺出品率高;

(2)翻转中心选在模具中间部位,并通过配重尽量使翻转中心接近模具重心,同时左右半型在滑轨上滑动开合,这样金属型模具的翻转开合劳动强度大大降低,装配式结构也降低了模具的加工费用;

(3)可很容易地实现倾斜浇注,这样一方面有利于降低充型高度,使铝液流动平稳,防止氧化夹杂和卷气,另一方面,倾斜浇注使耐磨镶圈下的夹杂物和气体受铝液冲刷容易上浮排出,有利于镶圈与活塞本体的结合。1.2　抽芯机构设计

鉴于活塞体积很大,铝液凝固时收缩对金属芯的抱紧力非常大。为顺利抽芯,将金属型主芯分成五块,中芯与四块边芯间斜度定为5°,同时对中芯和销芯的抽芯采用如图2所示的螺旋抽芯机构,该机构制造简单,它利用螺母螺杆的相对运动,经压块反作用力可获得很大的轴向拉力,

并且抽芯平稳可靠[1]。

图2抽芯机构示意图

F ig .2Sketch of co re pulling m echanis m

1.3　排气系统设计

金属型本身无透气性,再加上该活塞毛坯质量达200kg ,浇注过程很难避免产生气体,若排气不畅会导致冷隔、浇不足、气孔等缺陷,特别是在销孔下部和顶部最容易产生这些缺陷。

为此,在金属型分型面上和5块内芯的结合面上开设1mm ×0.5mm 排气槽,间距10mm ;在顶模成形面上设1mm ×1mm ,间距为10mm 经纬相布的排气槽,同时设置均布的24只排气塞

,这样就有效地排除了气体,避免了前述的铸造缺陷。

图3镶圈支承机构示意图

F ig .3Sketch of inlay ring upho lding m echanis m

1.4　镶圈和内冷油管支承机构设计

为了保证镶圈位置可靠,我们首次采用如图3所示的装配式支承机构,4个镶圈支承杆可先加工好,然后与金属型连接,镶圈定位尺寸还可以在一定范围内调整。与传统的镶圈支承方式比较,装配式支承机构具有制造简单方便、镶圈位置准确、磨损后可调整的优点。该活塞使用的内冷油管为<22mm ×1mm 的20#钢管,展开长度达6m 多。因制作过程中不可避免地产生一定程度的尺寸偏差和变形,为了可靠地与金属芯固定,设计了如图4所示的机构,利用2根拉杆和螺母将内冷油管和金属芯牢牢固定好,出型前卸掉螺母和拉杆,内冷油管就准确固定在活塞中,

定位尺寸公差小于0.5mm 。

图4冷却油管支承机构

F ig .4Coo ling o il p i pc upho lding m e chanis m

1.5　浇注系统设计

针对大型铝活塞的特点,设计了一种独特的阶梯缝隙式浇注系统,并在浇口杯底部加玻璃纤维过滤网

,见图5。

图5浇注系统

F ig .5Gating system

1.6　冒口设计

冒口采用保温顶冒口,先用耐火材料预制保温套,烧结后和顶模相连。保温冒口使冒口的补缩能力大大提高,消除铸造缺陷,提高铸件质量;同时冒口体积变小,

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