■ 李占軍，閆汝輝，許海軍，鄧志陽，王云峰

1.概述

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，高增壓發(fā)動(dòng)機(jī)和高負(fù)荷柴油機(jī)越來越普遍，活塞作為發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件，所承受的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷大幅提高。活塞所承受熱負(fù)荷的提高導(dǎo)致活塞頭部溫度升高，為加強(qiáng)對(duì)活塞的冷卻，降低活塞頭部溫度，在活塞頭部用水溶鹽芯鑄出冷卻油道成為必然選擇。

我公司鑄件毛坯生產(chǎn)全部采用金屬型重力鑄造，即鋁液在重力作用下澆入金屬型成形，含內(nèi)冷油道活塞毛坯生產(chǎn)過程復(fù)雜，在生產(chǎn)前需要分別準(zhǔn)備鹽芯及模具，鹽芯生產(chǎn)與準(zhǔn)備及模具準(zhǔn)備過程如圖1所示。

含內(nèi)冷油道活塞毛坯鑄造過程中內(nèi)冷油道失效模式分為3類，分別是鹽芯變形導(dǎo)致內(nèi)冷油道變形、內(nèi)冷油道位置偏移及內(nèi)冷油道氣窩。其中內(nèi)冷油道氣窩失效所占內(nèi)冷油道活塞失效比例最大(見圖2)，是最致命的缺陷，產(chǎn)生的危害最大，內(nèi)冷油道氣窩失效會(huì)造成燃燒室穿頂，活塞斷裂破碎(見圖3)，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力迅速下降甚至失去動(dòng)力，對(duì)使用者的生命財(cái)產(chǎn)安全埋下巨大隱患。

鑒于內(nèi)冷油道氣窩失效造成的危害，有針對(duì)性地進(jìn)行試驗(yàn)并采取改進(jìn)措施，減少內(nèi)冷油道氣窩缺陷的產(chǎn)生，避免存在內(nèi)冷油道氣窩缺陷的活塞交付給客戶是活塞制造企業(yè)急需解決的難題。

圖1 鹽芯生產(chǎn)與準(zhǔn)備及模具準(zhǔn)備過程

圖2 內(nèi)冷油道氣窩缺陷

圖3 內(nèi)冷油道氣窩導(dǎo)致活塞斷裂

2.內(nèi)冷油道氣窩缺陷產(chǎn)生原因分析

經(jīng)對(duì)內(nèi)冷油道活塞毛坯生產(chǎn)時(shí)氣體的來源進(jìn)行分析，造成內(nèi)冷油道氣窩失效的原因大體存在以下5種：

（1）為使毛坯凝固后順利出模，防止毛坯內(nèi)冷油道出口部位刮鋁，保證內(nèi)冷油道位置尺寸，需對(duì)鹽芯支撐桿及模具配合部位涂刷石墨溶劑，涂刷石墨溶劑后在模具未充分預(yù)熱的情況下生產(chǎn)，澆注過程中石墨溶劑中的水分遇高溫鋁液形成氣泡附著在鹽芯上，在活塞油道內(nèi)形成氣窩缺陷。

（2）模具串水、鑄造機(jī)潤(rùn)滑油等外來水源或油料源在澆注前或澆注時(shí)滴入型腔內(nèi)，遇高溫鋁液后生成氣體，隨鋁液上浮過程中遇到鹽芯阻礙后不能排出，黏附在鹽芯上，在內(nèi)冷油道部位形成氣窩缺陷。

（3）鹽芯燒結(jié)不徹底、預(yù)熱不充分，鹽芯本體內(nèi)含有水分，在高溫鋁液充型時(shí)水分從鹽芯內(nèi)被汽化出來形成氣泡，黏附在鹽芯表面，在內(nèi)冷油道形成氣窩缺陷。

（4）鹽芯在使用過程中受到污染，鹽芯表面存在水或油污，澆注過程中鹽芯表面的水或油污遇高溫鋁液汽化，在內(nèi)冷油道表面形成氣窩缺陷。

（5）模具型腔內(nèi)的氣體澆注時(shí)無法順利排出，堆積在鹽芯附近，鋁液凝固后在內(nèi)冷油道部位形成氣窩缺陷。

3. 氣窩缺陷產(chǎn)生原因試驗(yàn)和模擬

對(duì)內(nèi)冷油道氣窩缺陷產(chǎn)生原因分別進(jìn)行試驗(yàn)和模擬，確定主要原因如下：

（1）在鹽芯支撐桿及模具配合部位涂刷石墨溶劑，并在模具未預(yù)熱情況下鑲嵌燒結(jié)、預(yù)熱充分的鹽芯后澆注生產(chǎn)，試驗(yàn)生產(chǎn)10只毛坯，然后將毛坯切斷觀察內(nèi)冷油道表面質(zhì)量，其中 6只在支撐桿部位存在氣窩缺陷（見圖4）；為確認(rèn)模具預(yù)熱充分與否是否是造成內(nèi)冷油道氣窩的原因，我們進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，即在鹽芯支撐桿及模具配合部位涂刷石墨溶劑后對(duì)模具充分預(yù)熱，生產(chǎn)10只毛坯后將毛坯切斷觀察內(nèi)冷油道表面質(zhì)量，模具充分預(yù)熱后生產(chǎn)的毛坯內(nèi)冷油道表面質(zhì)量良好，不存在氣窩缺陷(見圖5)。

經(jīng)過對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)模具預(yù)熱不充分會(huì)造成內(nèi)冷油道表面出現(xiàn)氣窩缺陷的概率增加，是造成內(nèi)冷油道氣窩缺陷的主要原因。

（2）在正常生產(chǎn)的模具型腔內(nèi)滴上水滴或油滴后進(jìn)行澆注試驗(yàn)，每次澆注鋁液前均在型腔內(nèi)滴上水滴或油滴，共試驗(yàn)10只毛坯，然后將毛坯切斷觀察內(nèi)冷油道表面質(zhì)量，內(nèi)冷油道表面質(zhì)量良好，并未形成氣窩缺陷(見圖6)。

經(jīng)過試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)在模具正常生產(chǎn)時(shí)，型腔中滴入較少量的水或油不會(huì)造成內(nèi)冷油道氣窩缺陷，而型腔中的水或油較多時(shí)生產(chǎn)人員會(huì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)并停止?jié)沧?，因此模具型腔?nèi)存在水滴或油滴不是產(chǎn)生內(nèi)冷油道氣窩缺陷的原因。

（3）針對(duì)鹽芯燒結(jié)不徹底、預(yù)熱不充分是否會(huì)造成內(nèi)冷油道氣窩缺陷進(jìn)行如下試驗(yàn)。

首先，取燒結(jié)徹底的鹽芯按照工藝要求預(yù)熱溫度預(yù)熱不同時(shí)間后分別澆注10只毛坯進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，觀察鹽芯預(yù)熱情況對(duì)內(nèi)冷油道質(zhì)量的影響，試驗(yàn)情況如表1所示。燒結(jié)鹽芯生產(chǎn)的毛坯如圖7所示。

其次，取未燒結(jié)的鹽芯按照工藝要求預(yù)熱溫度預(yù)熱不同時(shí)間后分別澆注10只毛坯進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，觀察鹽芯預(yù)熱情況對(duì)內(nèi)冷油道質(zhì)量的影響，試驗(yàn)情況如表2所示。未燒結(jié)鹽芯生產(chǎn)的毛坯如圖8所示。

通過試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，鹽芯燒結(jié)不充分會(huì)造成內(nèi)冷油道嚴(yán)重氣窩缺陷，是內(nèi)冷油道氣窩缺陷產(chǎn)生的主要原因。在鹽芯燒結(jié)充分的情況下鹽芯即使預(yù)熱不充分也不會(huì)對(duì)內(nèi)冷油道質(zhì)量產(chǎn)生影響，鹽芯預(yù)熱充分與否不是內(nèi)冷油道氣窩產(chǎn)生的原因。

圖4 模具未預(yù)熱生產(chǎn)毛坯

圖5 模具充分預(yù)熱后生產(chǎn)毛坯

圖6 模具型腔滴水后生產(chǎn)毛坯

（4）在正常生產(chǎn)過程中，鹽芯自預(yù)熱爐取出后鑲?cè)肽＞咔霸邴}芯表面滴水，將滴水鹽芯鑲?cè)肽＞吆鬂沧?，試?yàn)10只毛坯后將毛坯切斷觀察內(nèi)冷油道表面質(zhì)量，內(nèi)冷油道存在氣窩缺陷。

經(jīng)過試驗(yàn)證明，鹽芯在使用過程中受到污染會(huì)對(duì)內(nèi)冷油道質(zhì)量產(chǎn)生重要影響，是造成內(nèi)冷油道氣窩缺陷的主要原因。鹽芯受污染后生產(chǎn)的毛坯如圖9所示。

（5）針對(duì)澆注過程中模具型腔中的氣體是否可以順利排出，以及型腔中的氣體是否會(huì)卷入鋁液中黏附在鹽芯表面形成內(nèi)冷油道氣窩缺陷，應(yīng)用MAGMAsoft鑄造模擬分析軟件進(jìn)行模擬分析（見圖10、圖11），并通過在模具不同部位增加排氣塞觀察其對(duì)內(nèi)冷油道氣窩缺陷的影響。

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)模具透氣性會(huì)對(duì)內(nèi)冷油道氣窩缺陷產(chǎn)生重要影響，是造成內(nèi)冷油道氣窩缺陷的主要原因。

表1

表2

圖7 燒結(jié)鹽芯生產(chǎn)毛坯

圖8 未燒結(jié)鹽芯生產(chǎn)毛坯

圖9 鹽芯受污染后生產(chǎn)毛坯

圖10 增加排氣塞前模擬分析結(jié)果

圖11 增加排氣塞后模擬分析結(jié)果

4.制訂改進(jìn)措施并實(shí)施

（1）對(duì)澆注工藝進(jìn)行調(diào)整，在澆注工藝中明確規(guī)定澆注模具預(yù)熱件數(shù)量為生產(chǎn)前澆注5只預(yù)熱件，避免因模具預(yù)熱不充分造成內(nèi)冷油道表面氣窩缺陷。

（2）對(duì)鹽芯燒結(jié)爐爐膛內(nèi)溫度進(jìn)行檢測(cè)，確認(rèn)鹽芯燒結(jié)溫度是否達(dá)到工藝要求，經(jīng)過檢測(cè)鹽芯燒結(jié)爐爐門位置燒結(jié)溫度較低，達(dá)不到鹽芯燒結(jié)溫度要求，為此在鹽芯燒結(jié)工藝中對(duì)鹽芯在燒結(jié)爐中的放置位置做出明確規(guī)定，要求鹽芯燒結(jié)時(shí)距離燒結(jié)爐爐門10cm以內(nèi)不得放置鹽芯。

（3）在澆注工藝中增加對(duì)鹽芯取放工具及鑲嵌工具表面清潔度要求，并規(guī)定取放鹽芯必須戴線手套，不能徒手摸鹽芯。

（4）對(duì)鹽芯支撐桿及模具進(jìn)行修改，使用通孔鹽芯支撐桿（見圖12），在模具頂模增加氣塞孔，保證模具型腔中氣體順利排出模具。

（5）為防止內(nèi)冷油道存在氣窩缺陷產(chǎn)品交付客戶，制訂內(nèi)冷油道嗆孔檢測(cè)標(biāo)樣（見圖13），并根據(jù)標(biāo)樣使用超聲波檢測(cè)機(jī)對(duì)內(nèi)冷油道進(jìn)行檢測(cè)。

5.效果檢查

改進(jìn)措施實(shí)施后，內(nèi)冷油道氣窩廢品數(shù)量大幅下降，內(nèi)冷油道氣窩缺陷廢品占內(nèi)冷油道缺陷廢品的比例由80%下降至10%，內(nèi)冷油道缺陷廢品率由原來的3%以上降至1%以下，客戶反饋活塞穿頂問題明顯減少，由以前的每年10余起降至零。

圖12 通孔鹽芯支撐桿

圖13 嗆孔標(biāo)樣

6.結(jié)語

（1）通過對(duì)內(nèi)冷油道氣窩缺陷進(jìn)行原因分析，并對(duì)分析原因進(jìn)行試驗(yàn)和模擬，從而確定出造成內(nèi)冷油道氣窩缺陷產(chǎn)生的主要原因，針對(duì)主要原因采取改進(jìn)措施，修訂生產(chǎn)工藝，有效減少了內(nèi)冷油道氣窩缺陷廢品的產(chǎn)生，降低了內(nèi)冷油道氣窩缺陷廢品率。

（2）通過采取措施對(duì)內(nèi)冷油道氣窩缺陷進(jìn)行檢測(cè)，避免了存在內(nèi)冷油道氣窩缺陷產(chǎn)品交付給客戶，減少了客戶反饋，為公司贏得了良好聲譽(yù)。