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孙 晓 王艳艳 张 斌 王 磊 : 铝合金活塞制造工艺现状及发展方向 19 产品工艺 铝合金活塞制造工艺现状及发展方向 孙 晓 王艳艳 张 斌 王 磊 ( 山东滨州渤海活塞股份有限公司) (滨州市科技局) 〔摘要〕本文分析了铝合金活塞制造工艺现状 ,主要介绍了铝合金活塞制造工艺的发展方向 ,重 点对活塞制造主要工序采用先进技术和工艺前后进行分析和对比。 〔关键词〕铝合金活塞 制造工艺 先进技术 Trend And Status of The Manufacturing Process In AluminiumAlloy Piston 〔Abstract 〕The p aper analyses t he st at us of t he manufact uring p rocess in aluminiumalloy piston and int roduce develop ment t rend . It comp ares t he major manufact uring st age to adopt t he advanced technology and p rocess before wit h now . 〔Key Words 〕AluminiumAlloy Piston Manufact ure Process Advanced Technology 1 前言 铣冒口→固溶加热后淬火 + 人工时效处理 →机加工 →表面处理 →包装入库 。 活塞行业是汽车零部件行业 ,活塞是发动机的 基础零部件之一 ,是发动机的心脏 。随着国外知名 下面对主要的工序情况做一下简单介绍 : ( ) 汽车厂家纷纷进入中国市场 , 国外汽车零部件公司 2 . 1 熔化铝锭 回炉料 也随即跟入 ,谋求在中国的发展 。目前已有部分国 目前国内外活塞用铝合金液普遍采用电炉或燃 外汽车零部件公司通过独资或与中国汽车零部件公 气炉熔化铝锭后再配制合金的方法获得 ,物理形态 司合资形式进入中国市场 , 因拥有先进的活塞制造 变化是固态 →液态 →固态 , 中间不但需要大量的能 技术 ,均取得了较好的成绩 。同时我国汽车工业正 源将铝锭熔化 ,而且在熔化的过程中还有相当部分 在进入高速发展时期 ,2004 至 2008 年 ,汽车行业更 的铝液烧损 ,大约在 2 . 0 %左右 ,熔化铝屑或回炉料 是突飞猛进 ,增长势头依然不减 ,预计到 20 10 年产 时采用普通电炉或燃气炉 ,铝液氧化烧损更加严重 , 量可望达 1000 万辆 ,使我国汽车需求呈现快速增长 合金材料烧损约 4～6 % 。 的趋势 , 同时也带动了汽车零部件的需求量 。 2 . 2 变质处理 正是在这种国际和国内形势下 ,为适应国内外 目前活塞行业用量最大的Al - Si 合金 ,对其变 市场经济一体化的挑战 ,努力提高活塞制造技术 ,进 质目前主要有两类变质剂 :含钠变质剂和含磷变质 行技术改造 ,降低生产成本 ,增强国有活塞企业可持 剂 。用磷变质处理的共晶 Al - Si 合金活塞 由于大 续发展能力 ,逐步扩大市场 占有率 ,对于我国活塞行 量细小初晶硅的出现 ,其耐磨性大大提高 ,使用寿命 业参与国际竞争是十分迫切和必要的。 得到较大提高 。因此 ,在活塞变质处理时多采用含 2 工艺技术现状 磷变质剂 。该类变质剂主要是以赤磷 、磷盐或铜 - ( ) 现阶段 , 国内活塞行业采用的技术比较落后 ,生 磷中间合金等形式加入 。赤磷存在燃点低 240 ℃ , 产成本高 、环境污染严重 。 变质时反应剧烈 ,产生大量的烟雾 ,且有毒 ,环境污 国内大多数活塞制造企业基本采用以下工艺技 染严重的缺点 ,但变质效果还是不错的。磷盐加入 术路线 : 量大 ,污染环境 ,且产生大量的反应渣 ,铝液烧损较 ( ) 严重 ,变质效果不稳定 ,废品率高 。磷铜中间合金加 购进铝锭 回炉料 →熔化铝锭 →合金化 →变质 ( ) 入到铝液中后易偏析 ,不适于反射炉用 。 处理 →精炼处理 →毛坯铸造 手工模具或半自动 → © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 内 燃 机 配 件 2008 年第 6 期 20 2 . 3 精炼处理 熔化铝屑若采用坩埚炉 ,则生产能力小 ,需人工 精炼除气一般采用固体除气剂或液态合金中充 加料 、搅拌 , 劳动条件差 ,而采用反射炉 ,生产能力 入氮气 ,有的厂家还采用国家明令禁止的氮气 + 氟 大 ,但是除了需人工加料搅拌外 ,最大的问题是火焰 利昂的混合气体除气 。氮气 、固体除气剂除气效果 直接与铝屑接触 ,烧损大 、铝屑回收率低 。若采用带 较差 ,材料金相组织粗大 ,但国内大多数活塞厂家还 搅拌功能的感应熔炼炉 , 随着铝屑的落入 、熔化 、降 采用该方式进行除气处理 。 温 ,铝液流动而使温度均匀 。熔化速度加快 ,铝屑基 2 . 4 毛坯铸造 本不会氧化 , 回收率可达 98 % 以上 ,故应采用该功 国内大多数活塞企业还是以手工模具为主 ,采 能熔化炉 ,并与铝屑连续自动处理生产线相结合 ,效 用金属型上抽芯重力铸造工艺 ,活塞顶部厚大部位 果十分理想 。 朝下 ,型芯向上抽取 。由于厚大部位在下 ,薄壁的裙 采用塔式炉熔化浇冒口、回收废品、渗铝料等回 部在上 ,铸件在凝固过程中不符合顺序凝固的原则 , 炉料 ,其热效率可达 55 %以上 ,能耗 55 公斤柴油/ 顶部厚大部位极易出现缩孔 、缩松缺陷。为了消除 吨铝 ,烧损 2 % ,并且解决了工人劳动强度大及环 缺陷 ,得到合格铸件 ,通常采用圆柱形大冒口的办法 境污染问题 。 来保证活塞毛坯的铸造质量 。这种浇冒口系统所占 3 . 2 变质处理 重量较大 ,工艺出品率较低 ,生产效率也很低 ,而且 由于赤磷 、磷盐变质 ,剂污染环境 、铝液烧损较 生产中工人劳动强度比较大 。 严重 ,部分活塞企业已采用高磷合金型变质剂进行 2 . 5 热处理 变质处理 。该中间合金含磷量可达 4 . 0～5 . 5 % ,含 目前国内活塞行业对铝合金活塞的热处理大多 有可直接作为初晶硅的异质晶核核心的 AL P 化合 数采用固溶加热后淬火 + 人工时效处理的方式进 物 ,加入量小 ,无污染 ,反应渣极少 ,磷吸收率稳定 , 行 。固溶加热采用井式炉 ,人工时效采用箱式炉 ,设 对炉衬 、坩埚和工具无腐蚀作用 ,延长炉衬和坩埚使 备容量比较小 ,反复装卸 ,生产效率低 。该方式处理 用寿命 ,加入量可准确控制 , 降低了合金的损耗 ,提 的活塞内在质量比较稳定 ,但对活塞表面的外观质 高了合金的实收率 , 是一种绿色环保型的变质剂 。 量有一定的影响 ,在活塞装卸过程中容易引起活塞 该变质剂在国外被普遍采用 , 国内只有部分企业采 磕碰 ,造成活塞报废 ,而且加热固溶过程能耗较大 。 用 。 2 . 6 活塞加工 3 . 3 精炼处理 活塞加工过程中的精工序和比较重要的工序采 用除气机向铝液中充入氯气 + 氮气的混和气 用数控机床 ,粗工序采用普通车床加工 。这是国内 体 ,除气效果非常好 ,金相组织也得到细化 , 同时 ,除 大多数活塞企业普遍采用的加工形式 ,但还存在很 气 、除渣过程中产生的有害气体通过除尘设备通入 大一部分民营企业仍然采用普通车床完成活塞的精 净化塔进行处理 。由于氯气有毒且腐蚀性较强 ,安 加工 ,造成活塞精度低 ,尺寸难以保证 ,生产效率低 , 全保证较困难 , 国内应用较少 ,但国外公司应用较为 废品率高 ,工人劳动强度也比较大 。恒行6娱乐注册 广泛 。 3 当前较先进的活塞制造技术 、工艺 3 . 4 毛坯铸造 目前 , 国内大型活塞公司已采用如下技术路线 : 目前 , 国外及国内大型活塞制造公司已基本不 ( ) 采用手工模具生产批量大的活塞 , 只有新产品的样 购进铝锭 回炉料 →熔化铝锭 →合金化 →变质 ( ) ( 品开发时采用手工模具 ,活塞批量生产时一般采用 处理 →精炼处理 除气 、除渣 →毛坯铸造 铸造机械 ) ( 铸造机铸造铝合金活塞 ,机械化下抽芯机构 ,通常采 化 →铣冒口→铸造余热直接淬火 + 时效 通过高效 ) 用倾斜直浇道 、刀形横浇道和垂直缝隙式内浇 口以 连续时效热处理炉 热处理 →机加工 →表面处理 → 包装入库 。 及保温顶冒口。 ( ) 与传统的手工上抽芯铸造工艺相比,机械化下 3 . 1 熔化铝锭 回炉料 国内一般采用反射炉熔化铝锭 ,各个活塞厂家 抽芯铸造工艺有以下优点 : 相差不大 ,但是熔化铝屑和浇冒口回炉料就相差较 a 、由于采用机械化生产 ,活塞模具的开合 、型芯 大 。国内大型活塞公司一般采用带搅拌功能的感应 的抽取及复位 、取件 、毛坯铸淬均由机械 自动完成 , 熔炼炉熔化铝屑 ,塔式炉熔化浇冒口、回收废品、渗 大大降低了工人的劳动强度 ,提高了生产效率 。 铝料 。 b 、采用下抽芯形式浇铸活塞 ,有利于铸件顺序 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 孙 晓 王艳艳 张 斌 王 磊 : 铝合金活塞制造工艺现状及发展方向 2 1 凝固 , 冒口体积得到减小 ,使活塞冒口占毛坯的比例 序次数 ,缩短了生产周期 ,提高了生产效率 ,减少了 由原来的 0 . 5 降至现在的 0 . 3 ,减少了冒口二次熔 人工劳动量和反复装卸而引起的产品磕碰划伤 , 提 化能耗及烧损 ,节约了铝合金液 。 高了产品外观质量 。 c 、现在外模 、中芯 、恒行6娱乐注册顶模已采取串水加强冷却的 3 . 6 采用可重构全自动柔性生产线加工活塞 措施 ,并且自动控制 ,使凝固顺序得到 良好控制 ,活 国外比较知名的活塞公司普遍采用全自动柔性 ( ) 塞内在质量 组织 、性能 都得到提高 ,降低了凝固时 生产线加工活塞 , 国内个别公司拥有数条 。 间 ,提高了生产效率 , 由每班次 80 只提高到 120 只 , 该生产线能根据产品及其工艺的变化快速重 工艺出品率可提高 10～15 个百分点 。 构 ,重构后能确保高的精度和可靠性 ,其功能的实用 d 、活塞外观质量明显改观 ,尺寸精度大幅度提 性相当于几条甚至十几条传统的单一产品的自动生 高 。 产线 。机床采用当今比较先进的高频电主轴结构 , e 、可以避免人为因素 ,降低废品率 。 回转精度高 ,且降低了采用传统传动方式所引起的 3 . 5 热处理 振动 ;机床采用高速 、高刚性线性导轨 ,其高速性能 国外和国内知名活塞公司已改变传统的固溶加 好 ,机床稳定性好 。恒行6注册通过将加工与物料传输系统组 热后淬火 + 人工时效处理方式为利用铸造余热直接 合为一体 ,每条生产线 人即可完成所有工 ( ) 淬火 + 时效 通过高效连续时效热处理炉 的热处理 序 ,提高了生产效率 , 降低了废品率 ,改善了工人操 方式 。 作环境 。生产线 。 该方式对淬火用水温 、工人技能、工艺执行力要 求较严格 。采用手工模具铸造活塞毛坯时 ,毛坯铸 淬质量不稳定 ,硬度不均匀或达不到 ,人为因素影响 较严重 。采用铸造机铸造毛坯时 ,铸淬由铸造机机 械手完成 ,生产节拍可以得到保证 ,活塞毛坯的出模 温度比较一致 ,避免了人为因素 ,保证了毛坯铸淬质 量 。人工时效处理一般采用高效连续时效热处理 炉 ,见图 1 。 图2 可重构全自动柔性生产线 结论 综上所示
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