專利名稱：改善活塞頭部金相組織及提高鑄造生產效率的工藝方法
技術領域：
本工藝技術涉及鋁合金鑄造零部件的鑄造工藝方法，特別是上抽芯鋁合金活塞生產的鑄造工藝方法。

背景技術：
普通活塞鑄造毛坯絕大部分采用上抽芯重力鑄造，活塞成形外模可采用雙側冒口結構和單側冒口結構這兩種結構形狀，由于使用雙側冒口結構生產的零件，其原材料成本較高，因而目前活塞成形外模普遍采用單側冒口結構，其單側冒口位置通常設計在活塞本體熱節圓大的一邊，以利于保溫冒口對活塞毛坯的補縮；活塞成形底模采用帶排氣孔結構同時用水強制冷卻，但其冷卻距離比較長，達16～20mm，冷卻效果相對較差。采用以上結構，活塞金相組織普遍在2-3級，頭部初晶硅在20-30微米；補縮時間較長，工人停頓時間較多，生產效率普遍不高；活塞毛坯脫模后整體溫度均勻性較差，采用鑄淬后活塞整體硬度差較大。


發明內容
本發明的目的是提供一種改善活塞頭部金相組織及提高鑄造生產效率的工藝方法，以提高活塞頭毛坯頭冷卻效果，從而改善活塞頭部金相組織和提高活塞冒口的補縮效率，縮短補縮時間，提高活塞鑄造生產效率。
本發明的目的是這樣實現的一種改善活塞頭部金相組織及提高鑄造生產效率的工藝方法，按以下步驟進行 1)、工裝模具設計 a)、改變以往活塞燃燒室長軸方向偏心在后的傳統設計，將活塞燃燒室長軸方向偏心在前，使得活塞冒口方向的熱節圓直徑縮小5～7mm，對應于495T、YC6108G、LR105、N485、N485AW、RCB108、LR108-1系列發動機活塞，該直徑在改前的尺寸分別為30mm、35mm、31mm、27.5mm、27.5mm、33.5mm、33.5mm；為減小保溫冒口提供了可能，并縮短了補縮時間，同時改變以往單側冒口結構活塞頭部長軸方向前后溫差較大，采用鑄淬和時效后活塞頭部前后硬度差較大的問題； b)、上抽芯活塞鑄造模具中活塞成形底模取消排氣釘及排氣孔，同時，將底模上冷卻水腔傳熱部位減小至6mm壁厚，使得活塞成形底模冷卻水腔可以更接近活塞頭部，提高活塞毛坯頭部冷卻效果，改善頭部金相組織和提高冒口的補縮效率，從而減小活塞冒口，提高材料利用率； c)、改進活塞鑄造模具中活塞成形外模的結構外模上澆冒口的長度H和寬度B分別減少8～12mm，對應于495T、YC6108G、LR105、N485、N485AW、RCB108、LR108-1系列發動機活塞，該長度H和寬度B在改前的尺寸分別為50mm、55mm、53mm、48mm、55mm、55mm以及48mm、54mm、52mm、48mm、48mm、54mm、54mm； 外模后部無補縫冒口一側的長度L2增加10～12mm，外模后部的寬度D增加5～8mm，對應于495T、YC6108G、LR105、N485、N485AW、RCB108、LR108-1系列發動機活塞，該長度L2在改前的尺寸分別為180mm、195mm、190mm、176mm、176mm、195mm、195mm，該寬度D在改前的尺寸分別為80mm、85mm、82mm、78mm、78mm、85mm、85mm； 外模前部的長度L1減少18～22mm，對應于495T、YC6108G、LR105、N485、N485AW、RCB108、LR108-1系列發動機活塞，該長度L1在改前的尺寸分別為95mm、105mm、102mm、92mm、92mm、105mm、105mm； 使得澆冒系統更加靠近活塞毛坯本體，減少活塞沖型時間，降低鋁液在沖型過程中的熱量損失；增大活塞成形外模后部無補縮冒口一側的模具厚度(即長度)，以加強活塞成形外模后部的快速冷卻，使得仍然滿足活塞毛坯鑄造成形過程符合順序凝固的鑄造工藝原理，保證活塞的內在質量； 2)、工裝模具加工 監控工裝模具加工與圖紙資料的符合性及其加工精度和配合精度； 3)、鋁液熔煉準備監控合金熔煉、加料熔煉、現場熔煉的工藝過程符合性及Al-Si合金溶液材料成分檢測； 4)、工裝模具裝配及調試監控工裝模具清理、保溫冒口涂料、與澆注機的裝配過程及裝配精度、工裝模具的預熱及成形部分的噴涂料、活塞毛坯檢測； 5)、現場生產澆注監控活塞現場生產過程中各工藝參數及活塞外觀；在監控中發現采用無排氣孔活塞成形底模結構，沒有出現由于沒有氣孔造成的燃燒室中心定位孔成型不好等情形； 6)、活塞毛坯熱處理監控熱處理爐及其監測設備是否運行正常，監控活塞熱處理工藝的符合性； 7)、活塞質量檢測。
上述5步現場生產澆注中，在鋁活塞澆注工藝參數不變的情況下，采用紅外線測溫儀對比活塞毛坯澆注過程中，改進后的活塞成形底模溫度比改進前的活塞成形底模溫度降低50度左右；改進后的活塞成形外模溫度比改進前的活塞成形外模溫度低15度左右；改進后的活塞成形內模溫度比改進前的活塞成形內模溫度低10度左右；同時，為了解決改進后活塞毛坯取模不暢的問題，采用的措施縮短活塞毛坯鑄造的補縮時間20～30秒；這樣既保證活塞模具正常生產時的熱平衡及活塞毛坯順利取模，又提高了活塞鑄造生產效率； 上述7步活塞質量檢測中，進行活塞金相組織檢測改進后活塞頭部和燃燒室部位金相明顯細化，活塞頭部金相達到1級標準，初晶硅細化到10個微米左右。
為了進一步降低成本，提高效率，改善治理，有必要對普通上抽芯活塞鑄造工藝和工裝模具進行優化改進。
經過多品種大批量驗證，本工藝技術達到了預定目標，本發明的有益效果是 1、改變以往活塞燃燒室長軸方向偏心在后的傳統設計，將活塞燃燒室長軸方向偏心在前，使得活塞冒口方向的熱節圓進一步縮小，為減小保溫冒口提供了可能，并縮短了補縮時間，同時改變以往單側冒口結構活塞頭部長軸方向前后溫差較大，采用鑄淬和時效后活塞頭部前后硬度差較大的問題；使之同一活塞頭部前后硬度差減小到5個HB以內。
2、上抽芯活塞鑄造模具中活塞成形底模取消排氣釘及排氣孔，使得活塞成形底模冷卻水腔可以更接近活塞頭部，提高活塞毛坯頭部冷卻效果，改善頭部金相組織和提高冒口的補縮效率，從而減小活塞冒口，提高材料利用率。
3、改進活塞鑄造模具中活塞成形外模的結構，使得澆冒系統更加靠近活塞毛坯本體，減少活塞沖型時間，降低鋁液在沖型過程中的熱量損失；同時增大活塞成形外模后部(無補縮冒口一側)的模具厚度，以加強活塞成形外模后部的快速冷卻，使得仍然滿足活塞毛坯鑄造成形過程符合順序凝固的鑄造工藝原理，保證活塞的內在質量。
4、產品質量得到提高 將本工藝技術運用到YC6108G活塞、LR105活塞、N485活塞、N485AW活塞、RCB108活塞、LR108-1活塞等活塞品種上，(見工藝工裝模具設計數據表)，其效果均能達到細化活塞金相組織，達到1-2級，頭部初晶硅細化到10-20微米；采用鑄淬工藝，同一活塞頭部前后硬度差減小到5個HB以內。
5、降低生產成本、提高活塞生產效率 縮短補縮時間，鑄造效率提高15％以上；減小冒口，減少單個活塞毛坯鋁液用量，提高鋁液利用率，降低生產成本。



圖1-1和圖1-2分別是改進前活塞毛坯結構的主視圖和K向視圖； 圖2-1和圖2-2分別是本發明活塞毛坯結構的主視圖和K向視圖； 圖3是改進前常規活塞成形底模結構圖； 圖4是本發明的活塞成形底模結構圖； 圖5是改進前活塞成形外模結構圖； 圖6是本發明活塞成形外模結構圖； 圖7-1和圖7-2分別是495T活塞改進前與改進后的活塞頭部金相對比(100倍)圖； 圖8-1和圖8-2分別是495T活塞改進前與改進后的燃燒室到內頂金相對比(100倍)圖。

具體實施例方式 本工藝技術具體在共晶Al-Si合金活塞上實施，具體品種為495T； 為了保證實驗的準確性，需對設計及生產的各個環節進行監控，過程如下 1、工裝模具設計根據本工藝技術內容、原理及效果分析進行工裝模具設計。
a)、改變以往活塞燃燒室長軸方向偏心在后的傳統設計，將活塞燃燒室長軸方向偏心在前，使得活塞冒口方向的熱節圓直徑縮小5～7mm，對應于495T、YC6108G、LR105、N485、N485AW、RCB108、LR108-1系列發動機活塞，該直徑在改前的尺寸分別為30mm、35mm、31mm、27.5mm、27.5mm、33.5mm、33.5mm；為減小保溫冒口提供了可能，并縮短了補縮時間，同時改變以往單側冒口結構活塞頭部長軸方向前后溫差較大，采用鑄淬和時效后活塞頭部前后硬度差較大的問題； b)、上抽芯活塞鑄造模具中活塞成形底模取消排氣釘及排氣孔，同時，將底模上冷卻水腔傳熱部位減小至6mm壁厚，使得活塞成形底模冷卻水腔可以更接近活塞頭部，提高活塞毛坯頭部冷卻效果，改善頭部金相組織和提高冒口的補縮效率，從而減小活塞冒口，提高材料利用率； c)、改進活塞鑄造模具中活塞成形外模的結構外模上澆冒口(2)的長度H和寬度B分別減少8～12mm，對應于495T、YC6108G、LR105、N485、N485AW、RCB108、LR108-1系列發動機活塞，該長度H和寬度B在改前的尺寸分別為50mm、55mm、53mm、48mm、55mm、55mm以及48mm、54mm、52mm、48mm、48mm、54mm、54mm； 外模后部無補縫冒口一側的長度L2增加10～12mm，外模后部的寬度D增加5～8mm，對應于495T、YC6108G、LR105、N485、N485AW、RCB108、LR108-1系列發動機活塞，該長度L2在改前的尺寸分別為180mm、195mm、190mm、176mm、176mm、195mm、195mm，該寬度D在改前的尺寸分別為80mm、85mm、82mm、78mm、78mm、85mm、85mm； 外模前部的長度L1減少18～22mm，對應于495T、YC6108G、LR105、N485、N485AW、RCB108、LR108-1系列發動機活塞，該長度L1在改前的尺寸分別為95mm、105mm、102mm、92mm、92mm、105mm、105mm； 使得澆冒系統更加靠近活塞毛坯本體，減少活塞沖型時間，降低鋁液在沖型過程中的熱量損失；增大活塞成形外模后部無補縮冒口一側的模具厚度(即長度)，以加強活塞成形外模后部的快速冷卻，使得仍然滿足活塞毛坯鑄造成形過程符合順序凝固的鑄造工藝原理，保證活塞的內在質量； 2、工裝模具加工監控工裝模具加工與圖紙資料的符合性及其加工精度和配合精度。
3、鋁液熔煉準備監控合金熔煉、加料熔煉、現場熔煉的工藝過程符合性及Al-Si合金溶液材料成分檢測。
4、工裝模具裝配及調試監控工裝模具清理、保溫冒口涂料、與澆注機的裝配過程及裝配精度、工裝模具的預熱及成形部分的噴涂料、活塞毛坯檢測等。
5、現場生產澆注監控活塞現場生產過程中各工藝參數及活塞外觀。在監控中發現采用無排氣孔(排氣釘)活塞成形底模結構，沒有出現由于沒有氣孔造成的燃燒室中心定位孔成型不好等情形；在鋁活塞澆注工藝參數不變的情況下，采用紅外線測溫儀對比活塞毛坯澆注過程中(模具脫模時測溫)改進后的活塞成形底模溫度比改進前的活塞成形底模溫度降低50度左右；改進后的活塞成形外模溫度比改進前的活塞成形外模溫度低15度左右；改進后的活塞成形內模溫度比改進前的活塞成形內模溫度低10度左右。這樣改進后的模具冷卻效果大大增強，打破了活塞模具正常生產時的熱平衡，活塞毛坯冷卻過度，使得不易從活塞成形底模上取下活塞毛坯件。為了解決改進后活塞毛坯取模不暢的問題，采用的措施縮短活塞毛坯鑄造的補縮時間20～30秒；這樣既保證活塞模具正常生產時的熱平衡及活塞毛坯順利取模，又提高了活塞鑄造生產效率。
6、活塞毛坯熱處理監控熱處理爐及其監測設備是否運行正常，監控活塞熱處理工藝的符合性。
7、活塞質量檢測 a)、活塞金相組織檢測改進后活塞頭部和燃燒室部位金相明顯細化，活塞頭部金相達到1級標準，初晶硅細化到10個微米左右。具體見下圖7和圖8。
b)活塞宏觀組織檢測按JB/T6289標準檢測判定為2-2級。
c)活塞外部缺陷檢測活塞外圓、棱槽、頭部、銷孔等部位通過目測或放大鏡檢測無鑄造缺陷。
d)活塞硬度均勻性檢測同一活塞頭部前后硬度差在5個HB以內。
8、本工藝技術批量效果驗證 a)小批量效果驗證確定生產300只495T活塞毛坯進行質量效果驗證，隨機抽取活塞毛坯進行檢測，其結果活塞金相組織，為1-2級，頭部初晶硅細化為10-20微米；活塞宏觀組織為2-2級；試車活塞外圓、棱槽、頭部、銷孔等部位通過目測或放大鏡檢測無鑄造缺陷；鑄造效率提高15％以上；采用鑄淬工藝，同一活塞頭部前后硬度差減小到5個HB以內；活塞鑄造廢品率為3％，主要表現為活塞外圓夾渣缺陷； b)大批量效果驗證生產4000只495T活塞毛坯進行質量效果驗證，隨機抽取活塞毛坯進行檢測，其結果活塞金相組織，為1-2級，頭部初晶硅細化為10-20微米；活塞宏觀組織為2-2級；試車活塞外圓、棱槽、頭部、銷孔等部位通過目測或放大鏡檢測無鑄造缺陷；鑄造效率提高15％以上；采用鑄淬工藝，同一活塞頭部前后硬度差減小到5個HB以內；活塞鑄造廢品率為1.8％，主要表現為活塞外圓夾渣及活塞拉傷缺陷； 9、本工藝技術推廣運用將本工藝技術推廣運用到YC6108G活塞、LR105活塞、N485活塞、N485AW活塞、RCB108活塞、LR108-1活塞等活塞品種上，(見工藝工裝模具設計數據表)，其效果均能達到細化活塞金相組織，達到1-2級，頭部初晶硅細化到10-20微米；縮短補縮時間，鑄造效率提高15％以上；減小冒口，減少單個活塞毛坯鋁液用量，提高鋁液利用率，降低生產成本；采用鑄淬工藝，同一活塞頭部前后硬度差減小到5個HB以內的這些目標。
本工藝技術工藝工裝模具設計數據表(單位mm)
本工藝技術的目的是按以下三個方面來實現的 a)、改變以往活塞燃燒室長軸方向偏心在后的傳統設計，將活塞燃燒室長軸方向偏心放在冒口側。圖1-1中直徑Ф的圓以及圖1-2中直徑Ф-10的圓均為活塞熱節圓，圖1-1中的B和圖1-2中的B-10均指冒口寬度。
b)、上抽芯活塞鑄造模具中活塞成形底模取消排氣孔(排氣釘)結構，圖3中底模中部Ф7.7孔(鉆孔后打入直紋氣釘)為排氣孔。
c)、改進活塞鑄造模具中活塞成形外模的模具結構。
本工藝技術原理及效果分析 a)、改變以往活塞燃燒室長軸方向偏心在后的傳統設計，將活塞燃燒室長軸方向偏心放在冒口側，減小活塞毛坯冒口方向的熱節圓大小，為減小冒口提供了可能，并縮短了補縮時間，提高活塞毛坯生產的勞動生產率；降低活塞頭部長軸方向前后的溫度異差，使得采用鑄淬和時效后活塞頭部前后硬度差較小(參見圖1-1、圖1-2和圖2-1、圖2-2)。
b)、上抽芯活塞鑄造模具中活塞成形底模取消排氣孔(排氣釘)結構，燃燒室中心靠近活塞模具進鋁水一側(及冒口部位)，在鋁水形成活塞毛坯中心座時有一定坡度的緩沖地帶，使燃燒室中心座內的氣體易于排出，保證燃燒室中心座的成形，(若燃燒室中心遠離活塞模具進鋁水一側時，在鋁水形成活塞毛坯中心座時坡度陡峭，易在燃燒室中心座內卷如氣體，無法保證燃燒室中心座的成形)，在同時使得活塞成形底模冷卻水腔可以更接近活塞頭部，提高活塞毛坯頭部冷卻效果，從而改善頭部金相組織和提高活塞冒口的補縮效率，縮短補縮時間，提高活塞鑄造生產率(參見圖3和圖4)。
c)、改進活塞鑄造模具中活塞成形外模的結構，使得澆冒系統(圖5中冒口長度H、寬度B，圖6中冒口長度H-10，寬度B-10)更加靠近活塞毛坯本體，減少活塞沖型時間，降低鋁液在沖型過程中的熱量損失；同時增大活塞成形外模后部(無補縮冒口一側)的模具厚度，以加強活塞成形外模后部的快速冷卻，使得仍然滿足活塞毛坯鑄造成形過程符合順序凝固的鑄造工藝原理，保證活塞的內在質量(參見見圖5和圖6)。
改善活塞頭部金相組織、提高鑄造生產效率的工藝方法工藝參數

權利要求
1.一種改善活塞頭部金相組織及提高鑄造生產效率的工藝方法，其特征是按以下步驟進行
1)、工裝模具設計
a)、改變以往活塞燃燒室長軸方向偏心在后的傳統設計，將活塞燃燒室長軸方向偏心在前，使得活塞冒口方向的熱節圓直徑縮小5～7mm，對應于495T、YC6108G、LR105、N485、N485AW、RCB108、LR108-1系列發動機活塞，該直徑在改前的尺寸分別為30mm、35mm、31mm、27.5mm、27.5mm、33.5mm、33.5mm；為減小保溫冒口提供了可能，并縮短了補縮時間，同時改變以往單側冒口結構活塞頭部長軸方向前后溫差較大，采用鑄淬和時效后活塞頭部前后硬度差較大的問題；
b)、上抽芯活塞鑄造模具中活塞成形底模取消排氣釘及排氣孔，同時，將底模上冷卻水腔傳熱部位減小至6mm壁厚，使得活塞成形底模冷卻水腔可以更接近活塞頭部，提高活塞毛坯頭部冷卻效果，改善頭部金相組織和提高冒口的補縮效率，從而減小活塞冒口，提高材料利用率；
c)、改進活塞鑄造模具中活塞成形外模的結構外模上澆冒口(2)的長度H和寬度B分別減少8～12mm，對應于495T、YC6108G、LR105、N485、N485AW、RCB108、LR108-1系列發動機活塞，該長度H和寬度B在改前的尺寸分別為50mm、55mm、53mm、48mm、55mm、55mm以及48mm、54mm、52mm、48mm、48mm、54mm、54mm；
外模后部無補縫冒口一側的長度L2增加10～12mm，外模后部的寬度D增加5～8mm，對應于495T、YC6108G、LR105、N485、N485AW、RCB108、LR108-1系列發動機活塞，該長度L2在改前的尺寸分別為180mm、195mm、190mm、176mm、176mm、195mm、195mm，該寬度D在改前的尺寸分別為80mm、85mm、82mm、78mm、78mm、85mm、85mm；
外模前部的長度L1減少18～22mm，對應于495T、YC6108G、LR105、N485、N485AW、RCB108、LR108-1系列發動機活塞，該長度L1在改前的尺寸分別為95mm、105mm、102mm、92mm、92mm、105mm、105mm；
使得澆冒系統更加靠近活塞毛坯本體，減少活塞沖型時間，降低鋁液在沖型過程中的熱量損失；增大活塞成形外模后部無補縮冒口一側的模具厚度，以加強活塞成形外模后部的快速冷卻，使得仍然滿足活塞毛坯鑄造成形過程符合順序凝固的鑄造工藝原理，保證活塞的內在質量；
2)、工裝模具加工
監控工裝模具加工與圖紙資料的符合性及其加工精度和配合精度；
3)、鋁液熔煉準備監控合金熔煉、加料熔煉、現場熔煉的工藝過程符合性及Al-Si合金溶液材料成分檢測；
4)、工裝模具裝配及調試監控工裝模具清理、保溫冒口涂料、與澆注機的裝配過程及裝配精度、工裝模具的預熱及成形部分的噴涂料、活塞毛坯檢測；
5)、現場生產澆注監控活塞現場生產過程中各工藝參數及活塞外觀；
6)、活塞毛坯熱處理監控熱處理爐及其監測設備是否運行正常，監控活塞熱處理工藝的符合性；
7)、活塞質量檢測。
2.根據權利要求1所述改善活塞頭部金相組織及提高鑄造生產效率的工藝方法，其特征是所述5步現場生產澆注中，在鋁活塞澆注工藝參數不變的情況下，采用紅外線測溫儀對比活塞毛坯澆注過程中，改進后的活塞成形底模溫度比改進前的活塞成形底模溫度降低50度；改進后的活塞成形外模溫度比改進前的活塞成形外模溫度低15～20度；改進后的活塞成形內模溫度比改進前的活塞成形內模溫度低10度；同時，為了解決改進后活塞毛坯取模不暢的問題，采用的措施縮短活塞毛坯鑄造的補縮時間20～30秒；這樣既保證活塞模具正常生產時的熱平衡及活塞毛坯順利取模，又提高了活塞鑄造生產效率；所述7步活塞質量檢測中，進行活塞金相組織檢測改進后活塞頭部和燃燒室部位金相明顯細化，活塞頭部金相達到1級標準，初晶硅細化到10個微米左右。
全文摘要
一種改善活塞頭部金相組織及提高鑄造生產效率的工藝方法，步驟如下1)底模上取消排氣孔及排氣釘，同時減小底模與冷卻水腔之間的壁厚，外模上澆冒口的長度和寬度分別減少10mm，該長度和寬度的規格為48mm～55mm以及48mm～54mm；同時，外模后部的長度L2增加10mm～12mm，外模后部的寬度D增加5mm～8mm，該長度L2和寬度D的規格分別為176mm～195mm以及78mm～85mm；2)工裝模具加工；3)鋁液熔煉準備；4)工作模具裝配及調試；5)現場生產澆注；6)活塞毛坯熱處理；7)活塞質量檢測。本發明可細化活塞頭部金相組織1-2級，提高鑄造效率15％以上。
文檔編號B22D27/04GK101829763SQ20101018380
公開日2010年9月15日 申請日期2010年5月26日 優先權日2010年5月26日
發明者楊慶年, 彭明誠, 何光馳, 文均, 陳革 申請人:成都銀河動力股份有限公司