铝活塞针状气孔缺陷分析及改进措施

段泽成 赵辉

滨州渤海活塞有限公司 山东 滨州 256600

1 活塞结构分析

活塞分为头部、裙部和活塞销座三个部分。活塞顶部设有缩口型燃烧室，在环槽部安装两道气环和一道油环。裙部起导向作用并承受侧压力，裙部截面形状由原来的圆形逐步发展为现在的轴向中凸的椭圆形。销座部安装有活塞销和挡圈。活塞头部由活塞顶端和环槽两部分组成。活塞顶端结构取决于燃烧室的要求，有两种形式。顶端多采用平顶或接近平顶设计，以减少活塞与高温气体间的接触面积，均匀分布应力。但有些发动机为了混合气形成的需要，将爆燃减少到最小程度，需要在活塞上设置一定深度的环槽作为燃烧室的一部分。环槽用于安装活塞环，防止漏气和防止机油进入燃烧室。活塞销座是活塞通过活塞销与连杆连接的支承部分，位于活塞裙部的上方。高速发动机活塞销座孔不一定与活塞在同一中心线平面上，可向作功行程时活塞接触缸壁的一侧偏移，以减少活塞到上止点变换方向后敲击缸壁时发出的噪声。活塞裙部即活塞的下部分，是活塞的导向部分，使活塞在往复运动过程中尽量保持垂直。由于活塞工作于高温、高压的恶劣环境中，因此在工作过程中将产生热变形和受力变形。原始的设计是将活塞裙部加工成圆柱形，由于热变形的存在，经常出现卡死的现象。为了避免这种卡死，应当将活塞加工成适当的形状，以抵消工作时的热变形。现代的活塞设计均为中凸变椭圆型面，即纵截面为中凸变椭圆型面，纵截面为中凸形、横截面为椭圆且在不同裙高处椭圆逐渐变化的复杂空间曲面，把活塞设计成这种形状，由工作时受热和受力而产生的变形就可以沿着活塞销轴方向扩展，截面形状由椭圆形向圆形逼近，使得活塞裙部与气缸更好地接触，获得更理想的受力面，减小活塞对汽缸壁的冲击，从而减小发动机的噪声。此外，活塞裙部与汽缸壁之间的油隙可以对活塞进行润滑，减小摩擦，改善活塞工作性能并延长活塞使用寿命。

2 铝活塞制造工艺

某工厂铝活塞主要制作流程为：先对铝合金进行熔炼，该环节主要包括：除气处理、除渣处理、变质处理等，然后在对其进行低压浇铸。

3 铝活塞针状气孔分析

3.1 针状气孔的危害

针状气孔减少了铸件的有效截面积,且能使局部造成应力集中,使金属强度降低,同时也降低了活塞的疲劳强度,降低了活塞的使用寿命。

3.2 铝活塞针状气孔的成因分析

经过工作人员的研究分析，铝活塞针状气孔形成的主要原因为：（1）低压坩埚中的铝液存在气体；（2）金属在浇筑中，活塞的凝固顺序是从上而下，并且在凝固过程中会产生一定的气体汇集于销孔位置，如果不能及时其减少排放，最终会在此处形成气孔。通常来说，铝合金中存在的主要气体为氢气，大约占据总量的85%，氢气主要是铝液和水产生的化学反应后所形成的产物，化学式为：在高温条件下，Al+3/2H2O=1/2（OH）3（y-晶体）+3H（溶于铝液）。铝合金在大气中进行熔炼，会产生一定的氧化物，使得铝液中的含气量骤增。如果铝合金熔炼时间越长且温度较高，那么铝液对气体的需求量就越大。在研究中，铝液中如果有气体，就说明只具备了针孔形成的条件，对于是否形成针孔或者形成针孔的大小主要取决于铸件在浇筑中的凝固作用以及凝固中铝液的外部压力。如果铸件凝固速度越快，那么铝液的外部压力越大，就说明形成针状气孔的可能越小。在低压铸造中由于外部压力较大，相对冷却速度较快，可以有效减少气孔的产生，需要注意是，如果气体不能顺利排出，那么就十分有可能在出现气孔，因此，在实际应用中工作人员可以采用涂料层蓄气进行排气，主要是由于涂料层和金属型相比具有良好的孔隙度，所以具有一定蓄气和通气能力。经过分析发现，铝活塞制造过程中销孔出现针状气孔的主要原因是：（1）铝合金的熔炼时间较长，并且熔炼温度较高，铝液中氧化物杂质较多；（2）三元变质过程中极易吸收水蒸气，导致在三元进行处理的时候铝液中气体含量较大；（3）浇筑工作中，空气中的水涨气和铝液以及氧化杂质容易出现化学反应，进而导致铝液中气体含量增加；（4）浇筑工作中，充型速率较快，导致铝液的整体凝固时间减少，一些气体不能及时排除，从而出现针状气孔；（5）浇筑工作中，在模具处理中涂料层的使用较少，不能及时吸收铝液凝固时所产生的气体，从而导致销孔位置出现针状气孔。

4 活塞加工存在的问题

多年来，我国机床行业在活塞专用机床开发研制方面做了大量工作，但随着汽车发动机技术和活塞产品技术的迅速发展，仍需在活塞先进制造技术及装备方面加大研究开发力度，以适应活塞制造业的发展。（1）高精度专用数控机床的研制。随着数控技术的逐步发展，数控加工方法势必会替代普通加工方法。活塞异形外圆数控车削刀具由微进给机构驱动，微进给机构的性能就决定了加工精度。活塞异形外圆加工精度要求不断提高，对于微进给机构的性能要求随之提高。除了精密微进给机构外，还需要精密控制系统进行实时控制。目前国内使用的数控活塞加工车床多采用前馈控制，虽能取得较高的加工精度，但是其频率特性识别存在误差，难以进一步提高加工精度。因此，需要研制精度更高的控制系统。（2）高精度靠模加工设备的研制。目前，在活塞生产线上大批量生产时，大多数中小企业仍然采用靠模加工方法。但是，活塞的加工精度很大程度上取决于靠模的精度，而我国的许多工厂仍然依靠数控磨床加工立体靠模，加工精度难以保障，加工效率较低。为了适应目前国内活塞生产的现状，需要研制高精度的活塞靠模专用加工设备。

5 结语

新时代的发动机朝着大功率、低油耗、低排放和长寿命的方向发展，活塞质量的大小及好坏直接影响发动机的工作质量。综上所述，铝活塞对于我国制造行业的持续发展具有重要意义。销孔位置的针状气孔是较为常见问题，对铝活塞的质量具有直接影响，在铝活塞制造只有从实际情况出发，针对不同情况采取不同措施，才能更好的对针状气孔进行有效处理，提高铝活塞质量。