一种能提升轻量化铝活塞铸造精度的模具改进技术

朱荣华

摘 要：轻量化铝活塞结构复杂，铸造模具由多个组件构成，轻量化铝活塞在铸造过程中存在脱模拉毛、局部变形、模具磨损快，铝活塞铸造内表面分模面粗糙，飞边严重，铸造精度不理想等问题。针对轻量化铝活塞难以做到精密铸造的问题，深入研究铸造工艺与模具结构关系，多次铸造实验和探索，改进内模通水、轨道加工工艺，改变外模滑块、销孔模组件结构。获得了一种能大幅度提升轻量化铝活塞铸造精度的模具组件改进技术。关键词：铝活塞;轻量化;模具组件;精密铸造;技术改进中图分类号：TG233  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）11-172-06

Abstract： The structure of lightweight aluminum piston is complex， and the casting mold is composed of many components. During the casting process of lightweight aluminum piston， there are many problems， such as demoulding and roughening， local deformation， rapid wear of mold， rough parting surface of internal surface of aluminum piston casting， serious flash， and unsatisfactory casting accuracy. Aiming at the problem that it is difficult to achieve precision casting of lightweight alumi -num piston， the relationship between casting process and mold structure was studied in depth. Many casting experiments and explorations were carried out to improve the water flow and track processing technology of internal mold and change the structure of slide block and pin hole module of external mold. An improved die assembly technology which can greatly improve the casting precision of lightweight aluminum piston was obtained.Keywords： Aluminum piston; Lightweight; Mold component; Precision Casting; Technical improvementCLC NO.： TG233  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）11-172-06

引言

活塞轻量化，是当前国际上较主流的一种活塞设计取向，随着各国对汽车排放要求的不断提高，节能减排是主流。活塞轻量化结构是为了满足现代高速高负荷，低排放发动机。其实质是在一定的高度、外径、形状的前提下，通过对活塞的结构优化来达到，即能减轻重量，又不降低机械强度。轻量化活塞常采用凹陷设计，造成活塞铸造模具结构复杂，铸造精度难以解决。各活塞生产厂家都期待获得一种简单高效，可实现精密铸造的模具组件。本改进的目的在于克服上述现有技術中的不足之处，提供一种简单、稳定、高效的，可实现轻量化活塞精密铸造量产的模具组件改进技术。

1 结构特点

轻量化铝活塞系指销孔座外侧靠近顶部方向带有三个轴向凹坑的铝活塞。活塞呈柱形，顶部实，中下部内收带空腔。销孔横贯中部两侧壁，侧壁上的孔即为销孔。销轴插在两侧壁的销孔上，两侧壁销孔支撑起销轴两端施予的作用力。所以销孔附近的侧壁作了加厚设计，带销孔的加厚实体也就被称为销孔座。活塞有两个销孔座，共有六个轴向凹坑。凹坑最大限度地减轻了活塞的重量，使活塞轻量化。轴向凹坑是盲孔，铸造这些盲孔普遍采用滑块模。滑块模在脱模中需要同时作向外和向下两个分运动，滑块模也就被限定在斜坡上滑动。为了在销孔座的内侧面或者裙部内壁上铸造制造厂标记，也要求内模的相关组件在脱模中同时作向内和向下两个分运动，内模的相关组件也须限定在斜坡上滑动。

现行轻量化铝活塞铸造模具由上模、外模Ⅰ、销孔模Ⅰ、滑块模Ⅰ、外模Ⅱ、销孔模Ⅱ、滑块模Ⅱ、内模八个组件组成。这些组件由安装在操作台及台架上的数控液压牵引机构从上、下、左、右四个方向牵引，实现模具的自动组合和自动分离脱模。

2 内模组件技术改进

2.1 内模组件工作原理

内模在上述八个组件中作为下模使用。内模从下方深入到外模I和外模II拼合在一起出现的型腔中。内模由活塞销孔内座片I、活塞销孔内座片II、活塞裙部片I、活塞裙部片II、活塞内模中心件、活塞止口件六部分组成。所述活塞内模中心件由四棱锥柱及与四棱锥柱一体相连的支撑台组成。活塞裙部片I、活塞裙部片II分别与四棱锥柱前、后两侧的棱面通过双道凹槽凸榫轨道连接在一起。活塞销孔内座片I、活塞销孔内座片II分别与四棱锥柱左、右两侧的棱面面接触（外模I在左侧棱面的左侧、外模II在右侧棱面的右侧），将活塞裙部片I、活塞内模中心件、活塞裙部片II夹在中间。活塞销孔内座片I、活塞销孔内座片II、活塞裙部片I、活塞裙部片II四者底端端面皆对齐在支撑台台面上。活塞止口件呈环状，套在活塞销孔内座片I、活塞销孔内座片II、活塞裙部片I、活塞裙部片II、活塞内模中心件五者组合在一起的整体外侧，座落在活塞销孔内座片I、活塞销孔内座片II、活塞裙部片I、活塞裙部片II四者液压连接件支撑面上。相对于竖向四棱锥柱中心线的“双道凹槽凸榫轨道”是一条斜线。所以活塞内模中心件从竖直方向向下抽动时，活塞裙部片I、活塞裙部片II被迫同时作向内、向下两个分运动，这也就保护了型腔内铸件内表面壁上铸就的制造厂标记文字。当活塞裙部片I、活塞裙部片II、活塞内模中心件三者向下从型腔内抽出后，活塞销孔内座片I、活塞销孔内座片II皆在水平方向上单独向内运动完成脱模。

2.2 内模组件原有技术

内模、销孔模皆依靠组装在内部水冷却系统作热传递完成冷却任务。但因各种因素，行业内使用的内模水冷系统多采用铜焊固定密封，或压迫密封，不方便拆卸清除深孔水垢，其冷却效果差，由水冷却效果决定着的铸造精度也跟着不理想。活塞内模中心件上的“双道凹槽凸榫轨道”，行业内采用铣床加工，其精度差，易磨损，凹槽凸榫轨道配合面质量不稳定。

2.3 内模组件技术改进方案

本技术将提供一种能大幅度提升轻量化铝活塞铸造质量的内模组件改进技术，其目的在于改善内模水冷却效果不佳的问题，制作出活塞内模中心件可方便拆卸水冷却系统，提高水冷效果。改善活塞内模中心件“双道凹槽凸榫轨道”的制作精度，从整体提高活塞裙部的铸造精度。

四棱锥柱与支撑台之间通过带弦切面的螺栓紧固相连;所述带弦切面的螺栓带螺栓侧孔和螺栓末端端面孔与螺栓侧孔连通。螺栓弦切面供回流水流动。螺栓侧孔则是进水必经处，流进的水从螺栓末端端面孔流出。带弦切面的螺栓沿着中心线从支撑台中心孔穿出，深入至四棱锥柱将四棱锥柱与支撑台连接为一体。冷却水从支撑台侧面孔，依序经过螺栓侧孔、螺栓末端端面孔到达长铜管内部从末端口流出。流出的水从四棱锥柱深孔侧壁吸收热量。吸收热量后的水沿着螺栓弦切面流动，从支撑台侧面孔II流出。在水不断流动的过程中，存储在铸料中的热量沿径向穿过内模侧壁流动至四棱锥柱深孔侧面并降低铸料的温度。当温度降到预设的温度时，即可按常规操作脱内模。长铜管插入在四棱锥柱深孔内。长铜管内是进水的通道，四棱锥柱深孔与长铜管外表面之间的空腔为回流水的通道。长铜管末端距离四棱锥柱深孔底面有2～5毫米的距离。活塞内模中心件径向小，四棱锥柱深孔直径只能做到8毫米，使用中深孔内极易因水垢而堵塞，故需要定期清除水垢。四棱锥柱与支撑台之间连接采用带弦切面的螺栓紧固，能够快速旋拆下来，满足了定期清除水垢的需要，以防堵塞[1]。

为了提高四棱锥柱前、后两棱面双道凹槽凸榫轨道连接的精度，将四棱锥柱与支撑台分开加工，可以先制作活塞裙部片I、四棱锥柱、活塞裙部片II组合在一起的整体件，然后经一次性线切割分离得到活塞裙部片I、四棱锥柱、活塞裙部片II。它们之间的连接是面接触，轨道连接的整个侧面也就是双道凹槽凸榫轨道面。这使四棱锥柱与活塞裙部片之间的轨道连接精度达0.1毫米。原有技术中四棱锥柱与支撑台的连接是一体化连接，双道凹槽轨道只能采用铣床加工，公差有0.5毫米。

所以，内模组件技术的改进大幅度提高了活塞裙部片与活塞内模中心件之间连接的精度。因接触更紧密，热传递效果更好，也就增强了活塞内模中心件水冷却能够带来的铸造效果。水路注畅直通活塞内模中心件，内模沿着中心线各处的径向，皆360度具有相同相近的热传递冷却效率，这使铸造中形成活塞侧壁的浇料具有相同相近的热力学性能，冷却过程可控，为改进其它性能打下基础[2]。

2.4 内模组件图解说明示意图

图中1是活塞内模中心件液压牵引连接件，5是活塞止口件，7、15是活塞销孔内座片I、II，9、13是活塞裙部片I、II，11是活塞内模中心件。

图中1是活塞内模中心件液压牵引连接件，16是支撑台，17是棱面轨道凹槽，19是四棱锥柱，21是支撑台中心孔，23、25是支撑台侧面孔I、II。

图5、图6是带弦切面的螺栓西南、东南视角结构示意图。

图中27是螺栓弦切面，29是螺栓末端端面孔，图中31是螺栓侧孔。

图7是长铜管结构示意图。图中33是螺纹。图8是活塞内模中心件、支撑台侧面剖面图。

图8中34是带弦切面的螺栓，16是支撑台，19是四棱锥柱，35是长铜管。

3 外模、滑块模、销孔模组件技术改进

3.1 外模、滑块模、销孔模组件工作原理

外模I和外模II限定在操作台台面上运动，组模时两者拼合在一起。拼合面是垂直分型面。外模I、滑块模I、销孔模I组合在一起，滑块模I带有供销孔模I的销柱穿过的销柱孔I;带有由销孔模I的水平圆杆作进退运动进而带动滑块模I升降的圆杆缝隙轨道;还带有在外模I内腔中作线性滑动用的斜柱体I。滑块模I由压块架I封闭在外模I腔内，压块架I则通过紧固件同外模I表面固定;斜柱體I被限制在相间又相互平行的外模I腔内的斜面和压块架I上的斜面共同组成的斜面滑槽中滑动。销孔模I置于同外模I外侧固定的托轨I上。

滑块模II、销孔模II、外模II、固定托轨II同上。

滑块模、销孔模相对于外模的运动过程是：销孔模置于托轨确定的水平面上，将销孔模的水平圆杆推进压块架的窗口，入圆杆缝隙轨道。圆杆缝隙轨道由下坡段和水平段依序衔接而成。水平圆杆在下坡段，滑块模在缓慢向前运动中上升;在水平段，滑块模上的销柱孔同销孔模的销柱高度平齐，水平圆杆继续向前运动，销柱则穿过销柱孔直到深入到型腔内部为止。浇铸期间，销孔模由外部液压缸的活塞杆推动并保持一定的压力。脱模时，液压缸的活塞杆反向运动，销孔模沿着托轨从外模腔中向外运动，销孔模的销柱先后从型腔内铸件销孔、销柱孔中抽出，销孔模的水平圆杆从圆杆缝隙轨道的水平段转到上坡段，滑块模在斜面滑槽中滑下，重心被迫下移，滑块模上的轻量化凸起从型腔内铸件凹坑中拨出。最后将销孔模、滑块模抽推至初始位置完成脱模工序。

生产中最大的问题是滑块模在高温中作业，一个工作日要靠销孔模上下反复推送数千次，因接触面快速磨损，造成滑块模推送不到位，铸造尺寸不稳定，滑块模下降脱离铸件不流畅、不稳定，导致铸造面拉毛。

3.2 外模、滑块模、销孔模组件原有技术

原设计脱模时，销孔模从外模腔中向外抽出运动时底部悬空无托轨，销孔模运动中会产生侧摆;销孔模上部悬空无T型导轨，销孔模因自重，重心被迫下移，在液压机构牵引销孔模运动中同轨道线性方向正交的其他方向作用力引起位移，对滑块模运动产生了干扰，让整个销孔模在线性轨道上无法作一个方向的平移运动。增加了非正常的各类的摩损。滑块模下降脱离铸件不稳定，导致滑块模上的轻量化凸起从型腔内铸件凹坑中拨出不流畅，铸造面产生拉毛现象。滑块模在斜面滑槽中滑动，需要保留斜柱体同外模腔内的斜面、压块架上的斜面之间至少0.2毫米的公差;这使滑块模在型腔径向有一定的幅度绕着水平圆杆转动;销孔模端头因无销柱孔下部压块设计，无法阻止了滑块模推到位后绕着水平圆杆的转动，造成同批次产品中滑块模所涉径向铸件厚度上的薄厚差。

3.3 外模、滑块模、销孔模组件技术改进方案

本技术将提供一种大幅度提升轻量化铝活塞铸造精度的模具组件改进技术，其目的在于改善滑块模磨损状况，解决滑块模推送不到位，铸造尺寸不稳定（稳定期短）的问题，从整体上提高活塞铸造精度。

销孔模的前端上有销柱、下有水平圆杆，又需要将销柱从外部穿过外模壁至型腔内作为型芯使用，所以销孔模通常制作出来会是一个高、窄、长的物体。直杆与通槽的配合，防止了销孔模在运动中会绕着上部作两侧摆动的运动。在销孔模上部设计T型导轨槽，外腔体内上部设计T型导轨，T型导轨槽套在T型导轨上[3]。T型导轨槽和T型导轨共同组成线性轨道，防止了销孔模在运动中出现颠簸。此外，线性轨道还承受销孔模在运动中的全部重量。所以相比原托轨承受全部重量，本技术已将销孔模的重量转移至由外模空腔的上部承受。因外模的质量远大于托轨的质量，有鉴于惯性的作用，抗颠簸性能比起下部悬空的原托轨有实质上的改善或提高。也因撤销了销孔模在托轨上的重力作用，才避免了销孔模在运动中因重力作用引起的机械抖动从托轨根部传播至同托轨根部相固定的压块架，最后由压块架将抖动传播给滑块模;也才避免了这种抖动经销孔模长径放大后由水平圆杆直接搅扰滑块模，有效避免了脱模时铸件表面的拉毛现象。

在销孔模销柱的根部正下方设计销柱孔下部压块，销孔模在轨道上推到位后，销柱孔下部压块直接抵压在滑块模上的销柱孔下部。滑块模通过斜柱体在斜面滑槽中上、下滑动实现自由升降，技术上要求槽与斜柱体之间保留一定的公差，不然因阻力大而无法滑动。因为存在这种公差，现行销孔模推到位后只能使水平圆杆保持静止，但滑块模I仍然能绕着水平圆杆转动。因此现行销孔模I实际上没能将滑块模I完全固定，是松动的。水平圆杆在圆杆缝隙轨道内以及销柱孔下部压块直接抵压在滑块模I上，使用了两个作用点将滑块模紧固，这样就阻止了滑块模的平动和转动，自然也就直接阻止了型腔在浇铸中因铸液充盈引起的滑块模向外作的径向运动，提高了铸件侧壁厚度的铸造精度[4]。

使用时，由液压缸机构的推杆同销孔模后端相连并使销孔模的水平圆杆、T型导轨槽、直杆分别同圆杆缝隙轨道、T型导轨、通槽相配合。销孔模受推运动时，水平圆杆在圆杆缝隙轨道下坡段运动，滑块模的斜柱体在斜面滑槽中向上滑动，滑块模向前、向上运动。水平圆杆在圆杆缝隙轨道水平段运动，滑块模停止向前、向上运动。销孔模继续向前运动，销柱正对销柱孔并穿过销柱孔直至伸入进型腔内;到水平圆杆在圆杆缝隙轨道水平段末端，销柱孔下部压块抵在销柱孔下部，销孔模运动停止。液压缸机构保持压力至浇铸后的脱模工序。脱模时，由液压缸机构牵引着销孔模后退。其过程是先后从浇铸件毛坯活塞销孔、销柱孔内抽出销柱，接着滑块模缓慢后退，退中有下降。滑块模回复到初始状态时，停止液压缸机构的牵引，完成脫模工序。

3.4 本技术相比原有技术具有如下优点

销孔模是高、窄、长的物体，底部直杆伸入到托轨沿着中心线开的通槽中，阻止了销孔模运动中绕着上部的侧摆;上部镶套入T型导轨，由外模承受销孔模重力的全部作用，消除了销孔模重力对滑块模运动的干扰;T型导轨是长轨道，同时也阻止了销孔模前后绕着质心转动的可能。有效防止了液压机构牵引销孔模运动中同轨道线性方向正交的其他方向作用力引起的位移，让整个销孔模在线性轨道上作一个方向的平移运动。有效地避免了非正常的各类的摩损。T型导轨在外模腔内，运动中销孔模同外模结合在一起，质量大，抗颠簸性能大大增强。

滑块模在斜面滑槽中滑动，需要保留斜柱体同外模腔内的斜面、压块架上的斜面之间至少0.2毫米的公差;这使滑块模在型腔径向有一定的幅度绕着水平圆杆转动;销孔模端头设立销柱孔下部压块，精确地阻止了滑块模推到位后绕着水平圆杆的转动;提高了生产中滑块模所涉径向铸件厚度上的精度。

3.5 外模、滑块模、销孔模组件图解说明示意图

图中41是销孔模I，42是托轨I，43是压块架I，44是滑块模I，45是外模I，46是内模，47是外模II，48是滑块模II，49是压块架II，50是托轨II，51是销孔模II，52是上模。

图中61是水平圆杆，63是销柱，65是冷却水出口，67是冷却水入口。

图中69是技术改进后的T型导轨槽，73是技术改进后的销柱孔下部压块，71是技术改进后的直杆。

图12是滑块模I结构示意图。图中75是圆杆缝隙轨道，77是斜柱体，79是销柱孔。

图13是图12滑块模I另一方向看到的示意图。

图中79是销柱孔，81是销柱孔下部，83是轻量化凸起。

图14是压块架I的结构示意图，图中85是压块架上的斜面。

图15是技术改进后增加的T型导轨结构示意图。

图16是技术改进后增加的托轨I结构示意图，图中87是通槽。

4 结语

经过一年的实践证明，整体一次性线切割加工分离的四棱锥柱前、后棱面上双道凹槽凸榫轨道加工精度高，脱模流畅，活塞铸造内表面分模面清晰无飞边，整体改善活塞内部铸造效果。带弦切面的可拆卸通水螺栓，方便定期清除四棱锥柱深孔内水垢，改善内模水冷效果，大幅度提升铝活塞铸造内组织结构质量。高精度的销孔模轨道装置精确推动滑块模并阻止到位后滑块模平动和转动，皆使现有牵引功率得以全部集中在有效的运动上，消除了非正常的各类磨损，轻量

化活塞铸造精度全面提升，铸件的成品率从80%提到96%;也因消除了各类非正常的磨损，一副模具可铸造的总数从15万左右提高到30余万，生产力大幅提升的同时，也取得了很好的经济效果。

参考文献

[1] 刘朝福.模具设计实训指导书.清华大学出版社，2010.

[2] 关月华.压铸成型工艺与模具设计.电子工业出版社，2013.

[3] 张金凤.模具材料与热处理.机械工业出版社，2010

[4] 李殿中，李依依.铸造原理.科学出版社，2011.