发动机铝合金活塞铸件的分析研究

发动机铝合金活塞铸件的分析研究

李兵 1 刘赛 2

滨州渤海活塞有限公司 山东省滨州市 256600

摘要：针对汽车发动机铝合金活塞铸件进行缺陷分析，同时尝试借助实际试制浇铸及模拟分析软件相结合的方法，对铸件的成型情况进行相应的解析，从模具冷却结构改进方面入手对铸件缩松缺陷问题加以解决，借助模具设计结构的特点解决铸造缺陷，这对于金属重力铸造生产铸件的缺陷解决具有一定的借鉴意义。

关键词：缺陷分析；模拟分析；铸造工艺

随着社会的不断进步以及科技的不断发展，汽车发动机活塞的轻量化程度也在逐渐提升，无论是其热负荷还是机械负荷都有了明显的增大，这样会致使活塞的工作环境更为严酷。基于上述情况分析，活塞铸件的材料必须要具备下述功能特点：热膨胀系数小、密度小、热传导性好，除此之外铸件材料还要满足耐腐蚀、耐磨等需求。这样看来，铝合金能够在较大程度上胜任活塞铸件的要求。目前共晶铝硅合金是发动机活塞最长应用的材料之一，该材料中约含有11%~14%的硅，随着含硅量的不断增加，Al-Si系合金的抗拉性能也会有相应的提升，到共晶成分点时达到最大；之后持续增加硅含量，但是由于会产生粗大长针状初晶硅，其形状不太好进而也会导致合金的强度出现骤然下降的情况。因而为了使得铝硅合金的原有特点不被破坏，又能保证力学性有很大程度的提升，进而可以使得这种合金的应用范围扩大，在近些年，无论是国内还是国外，都在对其开展研究，并采用了多种行之有效的措施。

1铸件结构与试制

本篇文章所选用的汽油机活塞铸件其铝合金材料的牌号为KS1295的共晶铝硅合金，这种材料的优势众多，其具有膨胀系数小、密度小、耐磨、流动性好等诸多特点。

这个活塞铸件的造型相对来说复杂性较高，包括了多处深腔及薄壁区域。这种活塞铸件在发动机工况下的力学性能要求：最大承载功率大于155kW（211ps，5500rpm），最大承载扭矩为350N·m（1200~4000rpm），材料的硬度不得低于HB140。

依据相应的设计标准以及浇筑需求，借助一模两腔重力铸造浇注机对活塞铸件尝试进行生产。在试制过程中，模具的温度为210摄氏度，铝液的浇注料温度大概在780摄氏度，浇筑速度保持在95cm³/s，凝固时间为70秒。试制之后将活塞铸件进行大小调整，使其能够达到规定的检测大小，接下来采用CT扫描技术进行扫描。经过扫描可以发现一些缺陷，这样就可以针对具体缺陷进行针对性分析。本篇文章借助实际缺陷进行试析，通过扫描可以看出活塞铸件的裙部区域靠近浇道一侧存在一个大约1.2毫米的细小孔洞。之后借助宏观渗透试验的再次检查以及与CT扫描结果的比较，我们在同一缺陷区域着色剂渗透后也发现了相关缺陷。缺陷发生在活塞工况高载荷区域，其表面与发动机缸体有着持续接触摩擦的需求，因而这一缺陷需要得到及时改进。

2缺陷判定与分析

铸造缺陷，通常来说是在铸造成形的过程中产生的，铸件表面以及内部出现的各种缺陷也都发生在铸件的填充或者凝固阶段。铝合金活塞铸件一旦出现缺陷问题，其会在实际使用中显现出极低的性能，使用年限也不如正常铸件长，甚至还会面临不可使用的境况。对铝合金活塞铸件缺陷问题进行详细分析，从其形貌、特点等处入手，目的是为了对缺陷问题加以解决，同时也为了避免铸件缺陷的产生。

2.1确定模拟分析参数

活塞铸件在铸造过程中，铸件凝固过程是最为重要的过程之一，很多铸造缺陷都发生在这个环节当中。在凝固过程中，其数值模拟对优化铸造工艺，预测以及控制铸件的质量、优化生产效率等都具有较大的影响。

2.2铸件缺陷判定

通过前面的CT扫描以及着色渗透实验的检测分析，活塞铸件的裙部区域发生的缺陷应该为缩孔，这一问题通常会出现在铸件凝固过程中。通过比对缩孔缺陷特征可以确定该区域的缺陷确实为缩孔。

对活塞铸造模拟分析的计算机模拟流程进行研究：第一步需要借助相应的分析软件实现模型创建工作，之后对所有模型进行计算前网格划分的前处理；第二步，输入相应的工艺参数，利用计算机模拟整个铸件成形的充填以及凝固过程；最后一步，结合计算结果，对相关缺陷的产生情况进行对应的后处理分析。

2.3分析缺陷原因

通过上述分析可知活塞铸件裙部产生了缩孔缺陷，造成这一问题出现的原因有多种，一般来说，这种缺陷主要会在活塞铸件内腔壁突然增厚或减薄的地方。缩孔通常出现在凝固阶段，由于其位置以及大小尺寸都是相对固定的，通过对凝固阶段的液相分布状态分析，原本来自活塞顶部冒口区域的补缩通道在凝固过程中被中断，继而在裙部区域产生液相孤岛。通过计算机模拟可以发现理论的缩孔位置与实际发生的位置是相符的。

要想消除这一缺陷，一般会对冒口设计进行优化处理、或者更改浇道进浇口尺寸，除此之外增设保温石棉的方式也是可行的，这些方法可以对活塞铸件厚大部位的凝固顺序进行合理调节，同时也能更好地降低热节风险的发生。

3模具冷却结构改进方案

改善方法是在原有内模设计的基础上增加进浇侧内模小片的冷却水路设计，通过模具冷却水道的合理布置和内模、外模、销子、顶模通冷却水时间的合理控制来使活塞实现铸件的顺序凝固。增加冷却水路后，会使进浇测的内模小片温度与中片温度的差异减小，延长铸件顶部冒口对原有裙部热节处在凝固时的补缩；同时，通过加强进浇道侧小片的冷却，使铸件在该区域实现由内模向外模的定向凝固，最终将铸件本体上原有位置的热节转移到浇道上，使其最后凝固，以此消除铸件本体上的缩孔缺陷。

总结

我们利用模拟流程分析软件以及铸件缺陷识别的方法，对铝合金活塞铸件裙部缩孔问题进行了分析探讨，并利用模具冷却系统设计的优化对铸件缺陷进行了相应的改善。对于标准化的活塞金属型重力铸造而言，如果模具内采用单一冷却水路，活塞铸件裙部壁厚差会较大，这样会使得其产生的热节很难通过工艺参数加以调整，因而铸件缩孔缺陷会时有发生。增设内膜冷却水路，原铸件热节区域可以实现凝固过程中的定向补缩，消除了活塞裙部缩孔缺陷。所以在铝合金活塞铸造工艺的优化过程中，如果铸件造型和模具结构很难进行改变的时候，活塞铸件热节由于几何结构难以消除，这时可以对模具冷却设计进行优化处理，适当提高铸件相关区域的冷却强度，实现铸件凝固过程中的定向补缩。

参考文献

[1]马梦奇.适用于高强高压铝活塞生产的铸造工艺及设备的开发研究[D].山东大学,2020.
[2]李斌强.稀土钇变质Al-Si合金微观组织演变及其机制研究[D].兰州理工大学,2019.
[3]李磊,王敬雨,席晓琦,等.锥束CT在铝镁合金铸件检测中的应用[J].河南科学.2019,(1).21-25.