汽車鑄造鋁活塞技術(shù)的發(fā)展及生產(chǎn)設(shè)備的選型

1、【工藝與設(shè)備】汽車鑄造鋁活塞技術(shù)的發(fā)展及生產(chǎn)設(shè)備的選型朱利民,王麗霞,張?zhí)煊?魏思亮(濱州盟威集團濱州渤?；钊煞萦邢薰?山東濱州256602摘要:本文對汽車鑄造鋁活塞技術(shù)的發(fā)展趨勢、生產(chǎn)制造技術(shù)的基本狀況以及發(fā)展趨勢進行了論述,并介紹了鋁活塞主要的生產(chǎn)工藝技術(shù)、先進生產(chǎn)工藝技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用以及生產(chǎn)設(shè)備的選型。關(guān)鍵詞:汽車鋁活塞;鋁活塞;制造技術(shù)中圖分類號:TG 292文獻標(biāo)識碼:B 文章編號:1673-6397(200803-0038-05Development of Manu facturing and T echnic of Auto AL PistonZH U Li -min ,W

2、ANGLi -xia ,ZH ANG T ian -yu ,WEI Si -liang(BinZhou MOVE VER G roup BinZhou BoHai Piston C o.,LT D BinZhou City ,ShanD ong 256602Abstract :In this paper ,the development and technic development of Auto Al pistons industry have been discussed.The development of Auto Al pistons industry of national ha

3、ve been discussed als o.The technic of primary and application of technic have been recommended.K ey Words :Auto A L Piston ;A L Piston ;Manu facture T echnic作者簡介:朱利民(1962-,男,漢族,山東省濱州市人,1983年07月畢業(yè)于山東工工業(yè)大學(xué)鑄造專業(yè)、學(xué)士學(xué)位、應(yīng)用研究員,主要從事鋁合金及產(chǎn)品的研究開發(fā)和生產(chǎn)制造。1鋁活塞技術(shù)的發(fā)展趨勢目前汽車鋁活塞正在朝高強度、高耐磨、高精密、低膨脹、輕量化、結(jié)構(gòu)組合化的方向發(fā)展,并且制造工藝技

4、術(shù)發(fā)展迅猛。為了滿足汽車發(fā)動機性能的要求,鋁活塞在結(jié)構(gòu)設(shè)計上分單一鋁合金整體式、組合式結(jié)構(gòu)。單一鋁合金整體式即單體鋁活塞;組合式有鑲鋼片、鑲鋼筒、鑲耐磨鑄鐵圈、內(nèi)冷通道、燃燒室喉口增強和以上幾種不同形式的組合活塞,以及鋼頂鋁裙組合活塞、鉸接式組合活塞等結(jié)構(gòu)1,2。活塞各部位的設(shè)計中,頭部有平頂、有燃燒室式,其中燃燒室有淺平式(如淺盆式、馬蹄形、雙渦流式等、球形、W 形、形等3,4;環(huán)槽有矩形槽、梯形槽、直角梯形槽等;裙部有單橢圓、雙橢圓、中凸變橢圓、不對稱中凸變橢圓等;銷孔有圓柱孔、異形孔、鑲銅套式,異形孔有喇叭口形、錐形、橢圓形、橢圓錐形等;表面處理分鍍錫、裙部石墨化、頂面硬質(zhì)陽極氧化等5,

5、6。鋁活塞材料主要有,亞共晶鋁硅合金、共晶鋁硅合金、過共晶鋁硅合金、鋁銅合金、陶瓷纖維增強復(fù)合材料鋁合金等。鑲耐磨鑄鐵圈技術(shù)提高了活塞環(huán)槽的耐磨性,提高了環(huán)槽的密封性能,使活塞環(huán)槽的壽命提高了3倍以上;內(nèi)冷通道技術(shù)可降低活塞從第一環(huán)槽到裙部的工作溫度達5080,有效地防止了活塞環(huán)槽和環(huán)岸處的積炭,可有效提高發(fā)動機的輸出功率;異型銷孔技術(shù)提高了活塞銷孔的承載能力,使得發(fā)動機輸出功率提高30%以上;活塞表面石墨化處理后,避免了活塞本體和缸套本體之間直接的金屬磨擦,石墨作為固體潤滑劑,可顯著降低摩擦功,改善發(fā)動機的初期磨合;活塞頂部硬氧處理,提高了活塞頂部耐熱溫度,增強了活塞頂部的絕熱能力,有效防止

6、了活塞頂部的熱疲勞開裂,可使燃燒室工作溫度提高3050,有利于燃氣的充分燃燒,可顯著降低發(fā)動機尾氣排放。對于當(dāng)前的汽車鋁活塞,采用金屬型重力鑄造成形的產(chǎn)品質(zhì)量以可滿足性能的要求,高性能汽車鋁活塞的發(fā)展方向是采用共晶鋁硅多元合金、磷變質(zhì)處理、鑲耐磨鑄鐵圈、內(nèi)冷通道、形燃燒室、頂面硬氧處理、中凸變橢圓裙部、裙部石墨化處理、異形銷孔等項技術(shù)。2汽車鑄造鋁活塞制造技術(shù)的發(fā)展趨勢及設(shè)備選型2.1鋁活塞生產(chǎn)工藝流程汽車鑄造鋁活塞主要的生產(chǎn)工藝流程有:鋁合金配料熔化鋁液變質(zhì)精煉鋁液質(zhì)量檢驗鑄造毛坯去除澆冒口毛坯質(zhì)量檢驗毛坯熱處理材料質(zhì)量檢驗產(chǎn)品機械加工尺寸檢驗產(chǎn)品表面處理外觀及最終檢驗包裝。下面對與產(chǎn)品質(zhì)量

7、關(guān)系密切的主要工藝過程的技術(shù)及設(shè)備進行介紹。2.2鋁液熔化設(shè)備對活塞鋁合金進行熔化常用的熔化設(shè)備,按爐型分有:L型塔式爐、感應(yīng)爐、傾轉(zhuǎn)式反射爐、固定式反射爐,按能源形式分為:柴油、天然氣、煤制氣、電能。L型塔式爐熱效率高、熔化速度快、能耗低、燒損少;感應(yīng)爐熱效率高、熔化速度快、合金成分均勻、生產(chǎn)環(huán)境好;傾轉(zhuǎn)式反射爐可以配料也可以做保溫爐使用,使用安全、維護方便;固定式反射爐可以配料也可以做保溫爐使用,使用和維護簡便,但是反射爐熱效率低。燃油熱值高、熔化效率高、使用維護方便,燃氣生產(chǎn)環(huán)境好、清潔、使用維護方便,煤制氣經(jīng)濟實惠,電能容易控制、生產(chǎn)環(huán)境好。以上設(shè)備以燃油或燃氣的L型塔式快速熔化爐為佳

8、,同時配以帶鋁屑熔化室的兼熔爐,這樣使用更加方便,是主選設(shè)備;如需配制合金料,則感應(yīng)爐和傾轉(zhuǎn)爐較為實用。熔化設(shè)備的關(guān)鍵在于節(jié)能和爐溫精度的控制,溫度以直接控制鋁液溫度為好,最好具有連續(xù)的溫度記錄功能和超溫報警功能,由于設(shè)備體積較大,需要現(xiàn)場制造,選用國產(chǎn)或進口設(shè)備均可,爐襯材料選用國際知名品牌為好。國內(nèi)企業(yè)的制造技術(shù)可以滿足要求,目前已有合資企業(yè)存在,因此可選擇合資或內(nèi)資企業(yè)進行設(shè)備的制造,部分關(guān)鍵元器件最好選用知名品牌,這樣施工和維護便利可靠性高。近年來歐洲部分先進的企業(yè)和國內(nèi)少數(shù)廠家已直接采購生產(chǎn)用液態(tài)鋁合金,并將液態(tài)鋁合金直接運送到生產(chǎn)現(xiàn)場,采用液態(tài)鋁合金特別是采用液態(tài)電解鋁直接鑄造鋁活

9、塞這種工藝方式,大大減少了原材料熔化時的燒損及二次熔化時能源的消耗,優(yōu)質(zhì)初級鋁合金和材料多元合金化的強化技術(shù)、耐熱金屬元素(如鎳、銅等的添加、微量元素(如鈦、硼等以及合金元素配比的優(yōu)化技術(shù)等,大大提高了材料的力學(xué)性能。2.3鋁液精煉變質(zhì)技術(shù)和設(shè)備目前鋁液的精煉方法有:氣體法和熔劑法;處理方式有:氣體或氣體+液體熔劑管式人工通入法、固體熔劑或泡末吸收液體熔劑鐘罩壓入法、采用精煉機處理等,其中采用精煉機處理比較方便、并且除氣、除渣精煉的效果好。鋁液精煉機,按形式分為:固定式、移動式、吊裝式、簡易通管式;按精煉介質(zhì)分為:單一氣體、雙路復(fù)合氣體、氣體加粉狀熔劑等。固定式的設(shè)備運行平穩(wěn)、可靠、精煉效果好

10、,移動式的則使用靈活、方便,吊裝式的使用方便,簡易通管式的使用簡單。為了提高精煉效果,避免對環(huán)境的污染,先進的方法是采用集中精煉處理的方式,以雙路復(fù)合氣體的固定式精煉除氣機的使用效果最好,是精煉的主選設(shè)備,該精煉設(shè)備的關(guān)鍵在于控制系統(tǒng)的技術(shù)水平和設(shè)備的可靠性,進口和國產(chǎn)設(shè)備均可,而國產(chǎn)設(shè)備更為經(jīng)濟、應(yīng)該是首選。采用集中精煉處理時的另一項技術(shù)是,要采用可移動式坩堝保溫爐。與傳統(tǒng)的化學(xué)熔劑法進行變質(zhì)、細化處理不同,當(dāng)今新的細化變質(zhì)技術(shù)是以采用鋁磷合金、磷銅合金、鋁鈦硼合金等合金型處理方式為佳,不使用有環(huán)境污染和有害雜質(zhì)含量高的熔劑,合金型處理技術(shù)簡便、無污染、效果好,與良好的精煉技術(shù)相配合,對于提

11、高材料的性能作用顯著。2.4鋁液質(zhì)量檢驗設(shè)備鋁液處理完畢經(jīng)檢驗合格方可用于鑄造生產(chǎn),檢驗項目有:化學(xué)成分、密度、晶粒度、顯微組織等。鋁液檢驗傳統(tǒng)的技術(shù)手段是:采用化學(xué)方法進行成分檢驗,采用試樣法進行氣泡檢驗,采用斷口法進行變質(zhì)細化效果檢驗,這些方法檢驗速度慢,特別是采用目測的方式對經(jīng)驗要求高、判別誤差大。采用光譜儀、熱分析和密度當(dāng)量儀對材料進行化學(xué)成分、精煉、細化、變質(zhì)效果的爐前分析,不但檢驗快捷,而且準(zhǔn)確、直觀,可比性強,避免了人為判別的誤差,特別是采用熱分析和密度當(dāng)量分析,對材料的密度、晶粒度、變質(zhì)效果進行快速分析,快速、準(zhǔn)確、直觀,目前歐洲國家應(yīng)用較多,國內(nèi)個別企業(yè)也有應(yīng)用,是當(dāng)今鋁液質(zhì)

12、量檢驗快速分析技術(shù)發(fā)展的新趨勢?？紤]到技術(shù)的成熟性,此類儀器設(shè)備以選用進口的為佳,其中德國的設(shè)備最好。932008年第3期朱利民,等汽車鑄造活塞技術(shù)的發(fā)展及生產(chǎn)設(shè)備的選型2.5鋁活塞鑄造設(shè)備鋁活塞已有的成形方式有:金屬型重力鑄造、低壓鑄造、擠壓鑄造、鍛造等。由于金屬型重力鑄造的模具簡單、操作方便、制造成本低、適用于各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)活塞的鑄造生產(chǎn),并且金屬型重力鑄造的鋁活塞的質(zhì)量,完全可以滿足絕大多數(shù)各類汽車發(fā)動機對鋁活塞在性能和使用等方面的要求,因此金屬型重力鑄造仍然是鋁活塞最主要的成形方法。金屬型重力鑄造的生產(chǎn)方式有手工操作和機械化自動生產(chǎn)單元,國內(nèi)企業(yè)絕大多數(shù)還是采用手工操作(至少90%,只有

13、少部分企業(yè)實現(xiàn)了機械化操作,而在歐美發(fā)達國家早已實現(xiàn)了鑄造機械化,為了減輕工人的勞動強度、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率,鑄造的機械化和自動化是鋁活塞鑄造行業(yè)發(fā)展的方向。鋁活塞圓柱形的外形決定了它適合于垂直分型,鑄造工藝方法有上抽芯工藝、下抽芯工藝、側(cè)抽芯工藝,從工藝角度而言下抽芯工藝最先進,并且有利于鑲鋼片、鑲鋼筒、鑲耐磨鑄鐵圈、內(nèi)冷通道等鋁活塞的生產(chǎn)。為了操作方便,手工操作基本上是上抽芯工藝;機械化操作適合于各種鑄造工藝方法,其中以下抽芯工藝為主;側(cè)抽芯工藝復(fù)雜,除個別產(chǎn)品外,應(yīng)用的很少。根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式,適用的鑄造機的類型有單工位、雙工位、四工位、多工位(曾經(jīng)出現(xiàn)過六工位、八工位;目前是以下抽

14、芯單工位、雙工位鑄造機為主,四工位鑄造機是今后發(fā)展的方向,而多工位鑄造機由于設(shè)備復(fù)雜、操作不方便,不適宜大規(guī)模推廣。活塞鑄造設(shè)備選用進口和國產(chǎn)設(shè)備均可,目前國產(chǎn)設(shè)備的技術(shù)水平與可靠性已經(jīng)過關(guān),并且更為經(jīng)濟,因此國產(chǎn)鑄造設(shè)備應(yīng)該是首選,設(shè)備的剛性要好,采用液壓驅(qū)動、P LC控制,部分關(guān)鍵元器件最好選用知名品牌。2.6鋁活塞熱處理設(shè)備對于共晶鋁硅合金、過共晶鋁硅合金鋁活塞,為了提高產(chǎn)品的力學(xué)性能和體積穩(wěn)定性,常用的熱處理工藝為固熔+時效處理(T6、T7處理或鑄淬+時效處理,而亞共晶鋁硅合金、鋁銅合金鋁活塞只需進行時效處理(T1處理,工藝要求爐溫均勻性±5。由于鋁活塞是在至少300高溫下工

15、作的零件,因此常溫下的力學(xué)性能指標(biāo)不是人們追求的目標(biāo),高溫力學(xué)性能和體積穩(wěn)定性是重要的性能指標(biāo),高溫力學(xué)性能要由材料成分和變質(zhì)精煉來保證,而好的體積穩(wěn)定性和加工性能的改善要靠熱處理來獲得,熱處理的時效溫度適當(dāng)高一些是必須的。對于現(xiàn)代鋁活塞300高溫下抗拉強度b 90MPa已是起碼的要求,對于高性能歐、歐發(fā)動機鋁活塞則要求300高溫下抗拉強度b110MPa,甚至更高;要求體積穩(wěn)定性0.02%D,加工要求硬度均勻且硬度范圍在H BS95125。熱處理設(shè)備按爐型分為:周期爐、連續(xù)爐,按能源形式分為:天然氣、煤制氣、電能。連續(xù)熱處理爐按傳動方式又分:輥棒式、吊筐式、推盤式以及多層爐。其中連續(xù)熱處理爐的

16、生產(chǎn)節(jié)拍一致、穩(wěn)定,爐溫均勻性好(±3,所以產(chǎn)品質(zhì)量好,產(chǎn)品的硬度均勻(同爐產(chǎn)品間硬度范圍H BS95105、體積穩(wěn)定性好(普通活塞可達0.018%D,且生產(chǎn)效率高、節(jié)能,是大批量生產(chǎn)的主選設(shè)備,其中燃氣輥棒式連續(xù)熱處理爐是鋁活塞熱處理設(shè)備的發(fā)展方向,目前發(fā)達國家應(yīng)用較多,國內(nèi)只有少數(shù)企業(yè)在應(yīng)用。對于小批量間歇式生產(chǎn)時為了生產(chǎn)的靈活性,使用周期爐是比較經(jīng)濟的。由于連續(xù)熱處理爐的生產(chǎn)量大,因此設(shè)備的可靠性和控制的技術(shù)水平以及溫度控制的精度十分重要,為了工藝的可追述性,要配備爐內(nèi)溫度記錄儀,并定期進行校準(zhǔn)。為方便操作,提高車間面積利用率,T6、T7處理用的熱處理生產(chǎn)線以U型布置為佳。由于

17、連續(xù)熱處理爐的體積較大,需要現(xiàn)場制造,目前已有合資企業(yè)存在,同時國產(chǎn)設(shè)備的技術(shù)水平已經(jīng)過關(guān),因此熱處理設(shè)備以選用國內(nèi)生產(chǎn)的設(shè)備為宜,并且施工維護便利。可選擇合資或內(nèi)資企業(yè)進行設(shè)備的制造,部分關(guān)鍵元器件還是最好選用知名品牌,以提高設(shè)備的可靠性。2.7鋁活塞機械加工設(shè)備鋁活塞屬于精密機械加工件,其加工的工序較多,通常有:粗車外圓粗車止口半精車外圓精車止口粗鏜銷孔車銷孔卡簧槽車銷孔到角粗車鐵環(huán)槽粗車環(huán)槽粗車頂面粗車燃燒室精車鐵環(huán)槽精車環(huán)槽精鏜銷孔精車外圓精車燃燒室車氣門坑精車頂面。在加工方面為了確保加工質(zhì)量,機械加工時分為粗加工和精密加工,其中精車環(huán)槽、精車裙部外圓、精鏜銷孔是最重要的精密加工工序。

18、在機械加工技術(shù)方面,國內(nèi)行業(yè)大批量應(yīng)用的粗加工設(shè)備是單工序、單機、單工位、臥式普通機床,精加工設(shè)備是單工序、單機、單工位、臥式精密車床和靜壓鏜床,裙部變橢圓的加工技術(shù)主要采用立體靠模仿形加工,立體靠模仿形加工技術(shù)有仿形比1:1串聯(lián)式、2:1并聯(lián)式,國內(nèi)企業(yè)常規(guī)的生產(chǎn)工藝流程工序多、生產(chǎn)流程長、加工誤差大、生產(chǎn)效率低。發(fā)達國家由于裝備制造業(yè)發(fā)達,相比之下國內(nèi)在加工方面的差距較4內(nèi)燃機與動力裝置2008年6月大。為了提高生產(chǎn)效率、減少生產(chǎn)工序、縮短生產(chǎn)流程、提高產(chǎn)品質(zhì)量,生產(chǎn)設(shè)備主軸轉(zhuǎn)速的提高(5000r/min,控制技術(shù)的數(shù)控化和自動化,粗加工工序的組合化,精加工工序的精密化,雙工位機床等高速、

19、高精、高效加工技術(shù)是當(dāng)今行業(yè)發(fā)展的方向。當(dāng)前又出現(xiàn)了可重構(gòu)技術(shù),新的趨勢是采用電主軸的高速立式雙工位C NC機床和自動線,目前國內(nèi)只有少數(shù)企業(yè)開始應(yīng)用。為了提高生產(chǎn)效率、減少生產(chǎn)工序、縮短生產(chǎn)流程、提高產(chǎn)品質(zhì)量,組合加工技術(shù)是發(fā)展方向,鋁活塞主要的組合加工技術(shù)有:粗鏜銷孔、卡簧槽、銷孔內(nèi)到角、銷孔外到角組合機床,粗車外圓、粗車環(huán)槽、粗車頂部組合機床,精車環(huán)槽、半精車外圓組合機床等組合加工技術(shù)。通過技術(shù)改進,加工工序由16 20個工序減少到68個工序,加工生產(chǎn)流程縮短一倍,產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率得到了提高。新加工技術(shù)的應(yīng)用明顯地提高了制造精度,鋁活塞精密加工技術(shù)可達到的主要精度指標(biāo):裙部外圓尺寸公差

20、±5m、裙部外圓輪廓度5m、在任意12mm長度上外圓輪廓度2.5m;銷孔尺寸公差±2m、銷孔圓柱度2m、異型銷孔角度520、銷孔表面粗糙度Ra0.4m;環(huán)槽側(cè)面平面度0.01mm、環(huán)槽側(cè)面波紋度0.01mm、在任意25mm 周長上環(huán)槽側(cè)面波紋度5m、環(huán)槽側(cè)面表面粗糙度Ra0.8m。產(chǎn)品質(zhì)量的提高,對于確保并提高產(chǎn)品的使用性能起到了積極的作用。活塞機械加工設(shè)備選用進口或國產(chǎn)均可,其中從歐洲進口的設(shè)備自動化程度和可靠性更好一些,條件好的企業(yè)可以適當(dāng)選用,而國內(nèi)制造的單機在技術(shù)水平等方面也已達到進口設(shè)備的水平,由于國內(nèi)設(shè)備比較經(jīng)濟,如果不追求自動化,國產(chǎn)設(shè)備則是首選。2.8鋁活塞

21、表面處理設(shè)備根據(jù)產(chǎn)品使用功能的要求,鋁活塞廣泛應(yīng)用的表面處理技術(shù)有鍍錫、裙部石墨化、頂面硬質(zhì)陽極氧化等,生產(chǎn)方式有手工操作和機械化自動生產(chǎn)系統(tǒng)。從提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率、減輕勞動強度、環(huán)保、節(jié)能等方面來講,生產(chǎn)的機械化和自動化,以及整個生產(chǎn)過程的系統(tǒng)集成化和生產(chǎn)流程的連續(xù)化,是當(dāng)今表面處理生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的方向。表面處理生產(chǎn)系統(tǒng)要從產(chǎn)品前處理過程以及后續(xù)處理等的生產(chǎn)、環(huán)保等各個環(huán)節(jié)和過程綜合考慮,特別是純水制備和廢水、廢氣處理等環(huán)節(jié)要處理好。目前國內(nèi)表面處理生產(chǎn)機械化應(yīng)用率不太高,主要還是手工操作的生產(chǎn)方式,系統(tǒng)集成的水平有待進一步提高。鍍錫技術(shù)由于污染嚴重,正在被石墨化表面處理技術(shù)所替代,石墨化

22、表面處理技術(shù)也由噴涂石墨向質(zhì)量更穩(wěn)定、石墨層更牢固且厚度均勻一致、效果更好、生產(chǎn)效率更高的表面印刷石墨技術(shù)轉(zhuǎn)變。印刷石墨設(shè)備的關(guān)鍵在于重復(fù)精度和絲網(wǎng)印刷板的質(zhì)量,考慮到技術(shù)的可靠性與成熟性,此類設(shè)備以選用進口設(shè)備為好。2.9鋁活塞質(zhì)量檢測設(shè)備由于活塞的精度要求較高,因此對質(zhì)量檢測設(shè)備的要求也就比較高,同時活塞是大批量生產(chǎn),所以現(xiàn)場質(zhì)量檢測和控制的高效率,才能適應(yīng)大批量生產(chǎn)的需要。目前國內(nèi)企業(yè)絕大多數(shù)還是采用現(xiàn)場質(zhì)量巡檢控制,總檢集中分項目人工檢測的方式檢測產(chǎn)品質(zhì)量并進行分組, 只有少部分企業(yè)采用自動檢測機集中高效地檢測產(chǎn)品質(zhì)量并進行自動分組和標(biāo)識 ,而發(fā)達國家則基本上實現(xiàn)了自動檢測。現(xiàn)場SPC技術(shù)的推廣應(yīng)用結(jié)合自動檢測機檢驗,是當(dāng)今現(xiàn)場質(zhì)量控制和產(chǎn)品質(zhì)量檢驗的發(fā)展方向。為了對產(chǎn)品的質(zhì)量進行驗證以確保現(xiàn)場檢驗的準(zhǔn)確性