本发明涉及一种提高挤压铸造活塞铸件质量的方法和装置，属铸造技术领域。本发明是基于当料柄与铸件连接处与铸件外表面呈扩张角时，可使得金属熔液在充型过程中形态更平稳，防止紊流；料柄颈口缩短，延缓凝固过程中活塞内补缩通道切断，扩张口内金属熔液可用于补缩，缩松缩孔几率下降；对活塞模温预热、充型温度要求下降，并使活塞顶部熔池位置下移，方便切削加工去除。
1.一种提高挤压铸造活塞铸件质量的装置，包括动模、动模仁、定模、定模仁、上压头、模脚、推杆座板、推杆固定板、推杆、复位杆、导柱导套、夹具、螺栓、垫板、挤压油缸、挤压料筒和冲头；该装置由所述的动模仁、定模仁、上压头形成的活塞型腔包括：料柄、铸件型腔、集渣包、排气道，其特征在于：所述的料柄与铸件型腔连接浇口为扩张型浇口，呈120°-150°角扩张；所述的上压头由金属压头和冷却水管构成，冷却水管从金属压头内部呈U形通过，U形底面与金属压头外表面最短距离为10mm，挤压铸造活塞过程中冷却水管持续通水，通水量需保证排出水温不高于60℃；所述动模仁、定模仁和上压头形成的活塞型腔是指相对型腔内受挤压合金本体为封闭状态，而挤压铸造活塞过程中活塞型腔内气体、表层氧化膜通过集渣包、排气道与外界连通；形成封闭的充型空间及挤压铸造活塞的步骤如下：动模与定模预热至200℃-350℃，以活塞成品尺寸预合型，设定上压头挤压间隙除预留合金凝固收缩、挤压压射变形所需的体积压缩量外，还有挤压时排出合金熔体表层氧化膜的量，冷却水管从金属压头内部通过并持续通水；利用输料系统将合金熔体引入挤压料筒；冲头立式压射将合金熔体压入活塞型腔，充型完成后保压；上压头下行挤压活塞内腔后保压，合金熔体在上压头和冲头压力下结晶凝固成型。
2.如权利要求1所述的一种提高挤压铸造活塞铸件质量的装置，其特征在于，所述的提高挤压铸造活塞铸件质量的装置各个部分之间以及与卧式挤压铸造机之间的连接关系如下：将所述挤压铸造活塞模具装置安装在卧式挤压铸造机上，即将定模仁、定模、垫板通过导柱导套和夹具依次与卧式挤压铸造机的定模板固定连接；将挤压油缸、上压头、动模仁、动模、模脚通过导柱导套、螺栓、夹具依次与卧式挤压铸造机的动模板固定连接；将推杆、推杆座板、推杆固定板通过螺栓依次与卧式挤压铸造机的动模板连接；然后检查和调整垫板和定模板的固定夹具、模脚和动模板的固定夹具，使所述的模具与卧式挤压铸造机连接牢固可靠；由卧式挤压铸造机控制柜操作动模板向定模板方向移动合模，设定锁模，检查动模与定模的密合情况，检查上压头与动模、定模的配合情况。
3.如权利要求1所述的一种提高挤压铸造活塞铸件质量的装置，其特征在于，所述冲头上行实施立式压射的方法是：由卧式挤压铸造机控制输料系统，将650℃-700℃定量的铝合金熔液或铝基复合材料熔液引入挤压料筒，挤压料筒无级调速后正对于模具分型面下方；
压射系统由两活塞杆悬挂在定模上，将压射力直接作用在模具上，由所述的冲头上行进行立式压射，压射完成后保压。
4.如权利要求1所述的一种提高挤压铸造活塞铸件质量的装置，其特征在于，所述上压头下行实施直接挤压的方法是：由卧式挤压铸造机控制，铸件充型完成后液压缸立即带动上压头挤压，由卧式挤压铸造机控制柜精确控制上压头下行时间及位移量，所述上压头下压至指定位置后保压，控制上压头保压压力小于冲头保压压力。
一种提高挤压铸造活塞铸件质量的方法和装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种提高挤压铸造活塞铸件质量的方法和装置，属铸造技术领域。
背景技术
[0002] 挤压铸造是将一定量的液态金属直接浇入敞口金属模具，随后合模，实现金属液充填流动，并在机械静压力作用下发生高压凝固和塑性变形，具有细化晶粒、加快凝固速度和使组织均匀化的作用，从而获得力学性能高于其它普通铸件的毛坯或零件的成形制造技术。根据挤压铸造时合金液的流动状况及挤压铸造力的形式，挤压铸造可以分为直接挤压铸造和间接挤压铸造两种基本形式。
[0003] 目前，国内外挤压铸造活塞一般是采用单一直接式挤压铸造、间接式挤压铸造或在单一式挤压铸造的同时辅助局部增压，但直接挤压铸造时金属液与空气大面积直接接触、表层氧化膜无法有效排出，间接挤压铸造加压效果较差、模温要求高、最后凝固位置位于活塞厚壁处中部，局部增压压力不能很好作用于整个活塞，使得活塞力学性能不均。因此，如何整体提高挤压铸造活塞质量，减少废品率，是本案值得探讨的课题。
发明内容
[0004] 针对上述现有技术存在的问题与不足，本发明提供一种提高挤压铸造活塞铸件质量的方法。
[0005] 所述的提高挤压铸造活塞铸件质量的方法，是基于直接挤压铸造可以使压力有效传递于整个活塞铸件，使金属熔液中的树枝晶破碎，进入未凝固的熔液中充当新的形核基体，细化晶粒，同时利用挤压压力使活塞薄壁处氧化皮受压通过集渣包排出；是基于间接挤压铸造可减少金属熔液与空气大面积接触氧化、吸气等不利因素，充型时多余熔液可留在料柄内，在高压下有助于铸件凝固补缩；结合直接挤压铸造与间接挤压铸造的优势，活塞在高压作用下充型凝固，提高了开始结晶温度和固相线温度，使金属熔液获得较大的过冷度，同时也使金属熔液与模具壁紧密接触，增加了热交换，从而增大冷却速度。
[0006] 所述的提高挤压铸造活塞铸件质量的方法，是基于当料柄与铸件连接处与铸件外表面呈扩张角时，可使得金属熔液在充型过程中形态更平稳，防止紊流；料柄颈口缩短，延缓凝固过程中活塞内补缩通道切断，扩张口内金属熔液可用于补缩，缩松缩孔几率下降；对活塞模温预热、充型温度要求下降，并使活塞顶部熔池位置下移，方便切削加工去除。
[0007] 本发明的目的可以通过如下装置来实现：
[0008] 一种挤压铸造活塞模具装置，包括动模、动模仁、定模、定模仁、上压头、模脚、推杆座板、推杆固定板、推杆、复位杆、导柱导套、夹具、螺栓、垫板、挤压油缸、挤压料筒和冲头；该装置由所述的动模仁、定模仁、上压头形成的活塞型腔包括：料柄、铸件型腔、集渣包、排气道，其特征在于：所述的料柄与铸件型腔连接浇口为扩张型浇口，呈120°-150°角扩张；所述的上压头由金属压头和冷却水管构成，冷却水管从金属压头内部呈U形通过，U形底面与金属压头外表面最短距离为10mm，挤压铸造活塞过程中冷却水管持续通水，通水量需保证排出水温不高于60℃。
[0009] 所述动模仁、定模仁和上压头形成的活塞型腔是指相对型腔内受挤压合金本体为封闭状态，而挤压铸造活塞过程中活塞型腔内气体、表层氧化膜等通过集渣包、排气槽与外界连通；所述形成封闭的充型空间及挤压铸造活塞的步骤如下：动模与定模预热至200℃-350℃，以活塞成品尺寸预合型，设定上压头挤压间隙除预留合金凝固收缩、挤压压射变形所需的体积压缩量外，还有挤压时排出合金熔体表层氧化膜的量，冷却水管从金属压头内部通过并持续通水；利用输料系统将合金熔体引入挤压料筒；冲头立式压射将合金熔体压入活塞型腔，充型完成后保压；上压头下行挤压活塞内腔后保压，合金熔体在上压头和冲头压力下结晶凝固成型。
[0010] 所述的挤压铸造活塞模具装置各个部分之间以及与卧式挤压铸造机之间的连接关系如下：将所述挤压铸造活塞模具装置安装在卧式挤压铸造机上，即将定模仁、定模、垫板通过导柱导套和夹具依次与卧式挤压铸造机的定模板固定连接；将挤压油缸、上压头、动模仁、动模、模脚通过导柱导套、螺栓、夹具依次与卧式挤压铸造机的动模板固定连接；将推杆、推杆座板、推杆固定板通过螺栓依次与卧式挤压铸造机的动模板连接；然后检查和调整垫板和定模板的固定夹具、模脚和动模板的固定夹具，使所述的模具与卧式挤压铸造机连接牢固可靠；由卧式挤压铸造机控制柜操作动模板向定模板方向移动合模，设定锁模，检查动模与定模的密合情况，检查上压头与动模、定模的配合情况。
[0011] 所述冲头上行实施立式压射的方法是：由卧式挤压铸造机控制输料系统，将650℃-700℃定量的铝合金熔液或铝基复合材料熔液引入挤压料筒，挤压料筒无级调速后正对于模具分型面下方；压射系统由两活塞杆悬挂在定模上，将压射力直接作用在模具上，由所述的冲头上行进行立式压射，压射完成后保压。
[0012] 所述上压头下行实施直接挤压的方法是：由卧式挤压铸造机控制，铸件充型完成后液压缸立即带动上压头挤压，由卧式挤压铸造机控制柜精确控制上压头下行时间及位移量，所述上压头下压至指定位置后保压，控制上压头保压压力小于冲头保压压力。
[0013] 本发明与现行挤压铸造方法相比具有如下突出的优点：
[0014] 1、所述的挤压间隙保证活塞顶部补缩和裙部增厚避免缺料；
[0015] 2、排气、集渣能力大幅度提升，氧化皮、氧化夹杂集中于排渣包、活塞料柄内；
[0016] 3、冷却水管与扩张口配合，将活塞顶部最后凝固熔池控制于扩张口内，可切削加工去除；
[0017] 4、活塞金属熔液所需模温预热温度、浇注温度下降；
[0018] 5、活塞铸件高压下成型优良，组织致密；
[0019] 6、所述模具装置可利用现有的挤压铸造模具改进，也可制作新模具，制作新模具时可减小10-15％料柄厚度。
附图说明
[0020] 下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明：
[0021] 图1为本发明计算机数值模拟用挤压铸造活塞模具结构示意图。
[0022] 图2为本发明活塞结构示意图。
[0023] 图3为本发明的模具结构示意图。
[0024] 图4为本发明ProCAST铸造模拟软件结果对比图。
[0025] 图5为ProCAST模拟本发明活塞铸件最终凝固位置图。
[0026] 图6为ProCAST模拟常规活塞铸件Niyama判据判定最终缺陷位置图。
[0027] 图7为ProCAST模拟本发明活塞铸件Niyama判据判定最终缺陷位置图。
[0028] 附图中：1、定模仁；2、定模；3、金属压头；4、冷却水管；5、动模仁；6、动模；7、活塞；8、合金熔体；9、挤压料筒；10、冲头；11、排气道；12、集渣包；13、扩张型内浇口；14、料柄；15、垫板；16、定模板；17、动模板；18、推杆座板；19、推杆固定板；20、模脚。
具体实施方式
[0029] 通过如下实施例及其附图对本发明作进一步的详细描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0030] 实施例一：挤压铸造活塞模具结构示意图如图1所示。对所述的挤压模具装置利用三维软件UG建模，通过数值模拟软件ProCAST的测定，如图4所示。
[0031] 目前常规的间接挤压浇注活塞模具，未通冷却水和采用扩张浇口，在模温300℃、挤压料筒400℃、Zl109充型温度680℃、充型速度32.5mm/s时，活塞铸件顶部为最终凝固位置，缩松缩孔集中于铸件顶部中心位置，无法通过机加工切削去除。
[0032] 本实施例验证在通冷却水的情况下，采用120°扩张型浇口，在模温300℃、挤压料筒400℃、Zl109充型温度680℃、充型速度32.5mm/s时，Niyama判据显示活塞铸件缩松缩孔倾向低，并集中于内浇口扩张处，可通过机加工去除，活塞受双向挤压成形优良。
[0033] 用与实施例一相似的方法，将扩张型浇口分别改为135°、150°时结果类似，最终获得成型优良的活塞铸件。活塞结构示意图如图2。
[0034] 实施例二：本实施例采用的卧式挤压铸造机为苏州三基SCH180挤压铸造机，锁模力1800KN，输料系统采用人工称重Zl109融化升至700℃后定量浇入挤压料筒9。
[0035] 实现本实施例的模具结构示意图如图3所示。
[0036] 1、设计模具后，本实施例利用现有的挤压铸造模具改进；该模具定模仁1、动模仁5采用H13，定模2、动模6采用45号钢材；
[0037] 2、本实施例利用所述的现有挤压铸造模具时，将所述模具的模仁内浇口13切削加工为120°扩张型浇口；
[0038] 3、安装挤压铸造模具：把制出的挤压铸造模具按图3所示安装于所述SCH180卧式挤压铸造机上；
[0039] 4、立式浇注、挤压并保压：在SCH180卧式挤压铸造机控制柜控制下，对操作程序进行程序检查，使运行过程无误，喷涂水剂石墨涂料，预热模具至250℃，预热挤压料筒9至400℃，设定冲头10上行充型速度为32.5mm/s，保压压力100MPa，在铸件充型完成后液压缸立即带动上压头3挤压活塞7，挤压压力90MPa，到固定位置后上压头3和冲头10一起保压40s，留模时间5s；
[0040] 5、脱模成型：挤压料筒9、冲头10下行，动模6随动模板17平移开模，上压头3由液压缸控制上行，活塞7由推杆推出，空冷成型，机加工切削除去排气道、集渣包、扩张型内浇口、料柄，检测合格，即为成品。
