CN116037855A - 一种铝活塞激冷组合模具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝活塞激冷组合模具，包括从上至下依次固定连接的活塞顶模（1）和活塞内模（2），活塞顶模（1）在活塞帽口（3）处设置有一圈顶模成形体（101），顶模成形体（101）底端向下凸起，在活塞毛坯（4）头部燃烧室部位铸造出燃烧室凹坑；活塞内模（2）设置有内模热传导腔（201），内模热传导腔（201）内径大于壁厚；活塞内模（2）底端与强冷水管（5）相连接，强冷水管（5）延伸入圆柱形内模热传导腔（201），对活塞内模（2）进行不同部位冷却。本发明激冷模具可减少活塞毛坯凝固时间，提高活塞铸造生产效率。

Description

一种铝活塞激冷组合模具

技术领域

本发明涉及铝活塞整体内模及顶部模具冷却结构改进工艺技术领域，尤其涉及一种铝活塞激冷组合模具。

背景技术

活塞在汽缸内进行往复直线运动，通过连杆、曲轴飞轮机构对外输出机械能，活塞是内燃发动机的核心部件之一，其品种的优劣对发动机以及对整车性能都具有重要的影响。它工作在高温、高压、高速往复运动及高应力状态下，这就要求活塞要具有足够的强度、刚度、耐高温高压、导热性好、密度小重量轻、抗疲劳等特点，铸造铝合金可以满足以上大部分要求，目前国内生产的活塞普遍采用铝硅合金材料，毛坯通过重力铸造成形。随着发动机功率、增压负荷、往复高速等参数的提升，有的活塞在结构设计上增加耐磨镶圈及内冷油道结构，以提高活塞的耐磨性及活塞头部的冷却效果。铝活塞重力铸造具有铸造成本低，同时可以得到比较优质的铝活塞铸件的优点，但也具有一定的局限性，重力铸造通过冒口内金属液自身压力来对铸件进行补缩，补缩效果较差，铸件容易产生收缩缺陷以及补缩冒口和活塞厚大部位的金相组织粗大的风险，降低铝活塞的综合性能，从而影响铝活塞的使用寿命。为了解决铸造铝活塞的铸造缺陷问题，需要从模具结构设计及铸造工艺方面入手解决；在实际生产过程中，对模具结构及铸造工艺进行优化设计，以提升铸造铝合金活塞的金相组织及抗拉强度，进一步提升铸造铝活塞的综合性能。

如图10所示，现有模具通过中心通水冷却，冷却水管接头最小内径Φ5mm，冷却水流量一般在10L/min左右，模具冷却效果相对较差，若如出现冷却水质差的状况，水管内壁容易附着水垢或渣滓，以至于可能减小冷却水管的有效管径，降低冷却水流量，致使模具冷却变差，活塞补缩效果较差，再加之活塞毛坯铸件头部厚大部位的热节圆较大，缸径在Φ105-Φ110的中型活塞铸件的热节圆一般在Φ60以上（大型活塞更大），活塞铸件补缩冷却时间较长，容易产生收缩缺陷及金相初晶硅长大，铝活塞存在综合性能降低的风险，从而影响铝活塞的使用寿命。

发明内容

本发明为提升活塞头部金相组织，提升铝活塞综合性能，间接增加铝活塞的使用寿命，提高活塞铸造生产效率，提供一种铝活塞激冷组合模具。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种铝活塞激冷组合模具，包括从上至下依次固定连接的活塞顶模和活塞内模，所述活塞顶模在活塞帽口处设置有一圈顶模成形体，所述顶模成形体底端向下凸起，在活塞毛坯头部燃烧室部位铸造出燃烧室凹坑；所述活塞内模设置有内模热传导腔；所述活塞内模底端与强冷水管相连接，所述强冷水管延伸入圆柱形内模热传导腔，对所述活塞内模进行不同部位冷却。

进一步的，所述活塞顶模还包括顶模连接块、顶模本体、水腔盖、顶模冷却体和进出水管；顶模连接块环绕固定在顶模成形体外沿，并且顶模连接块通过螺钉与顶模本体相固定连接；顶模冷却体设置于顶模连接块正下方，环绕固定在顶模成形体外沿，并且顶模冷却体外沿与顶模本体内沿相固定连接；顶模冷却体顶端设置有一圈冷却水凹槽，水腔盖设置在冷却水凹槽顶端，并且冷却水凹槽还与进出水管相连通。

进一步的，所述内模热传导腔整体呈凸字形，所述内模热传导腔沿销座方向壁厚为8-10mm，沿裙部方向壁厚为15-20mm。

进一步的，所述强冷水管包括进水总管、多根进水支管和出水管；进水支管长度大于出水管长度；多根进水管从内模热传导腔低端接入延伸至内模热传导腔顶端；出水管顶端与内模热传导腔底端相连通，将换热冷却水排出。

进一步的，多根所述进水支管结构相同，等间距并列分布在内模热传导腔内，多根所述进水支管进水端连接同一进水总管，出水端接近内模热传导腔顶端。

本发明的有益效果：

a)、激冷模具内模热传导壁薄，模具传热速度快，内模冷却腔大，增大了冷却接触面，提高了模具内模的热交换效率，下侧的强冷进水总管内径可达Φ15，总冷却水流量可达40L/min以上，分别连接内径为Φ6 的3个分水管对内模不同部位冲水冷却，使得内模冷却效果好。

b）、激冷模具组合顶模铸造出活塞头部部分燃烧室凹坑，减少燃烧室的加工余量，减小活塞顶冒口，减轻活塞毛坯重量。

c）、激冷模具组合顶模的冲水冷却主要针对活塞铸造燃烧室外侧头部平面，在下侧内模及左右外模的冷却作用下，使活塞铸造燃烧室外侧部位先行冷却凝固，以确保活塞毛坯由外到内的顺序凝固，降低活塞铸件补缩冷却时间，使活塞头部金相初晶硅变得细小均匀，金相等级可提高到2级；活塞头部试样的常温抗拉强度≥280MPa，高温抗拉强度≥90MPa，提升铝活塞综合性能，从而间接提高了铝活塞的使用寿命。

d）、激冷模具可减少活塞毛坯凝固时间，提高活塞铸造生产效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明的浇注毛坯与改进后模具激冷内模和激冷组合顶模的组合示意图；

图2为本发明的激冷模具组合顶模结构设计视图；

图3为本发明的顶模A-A剖面示意图；

图4为本发明的激冷模具内模结构设计视图；

图5是本发明的内模A-A剖面示意图；

图6是本发明的内模B-B剖面示意图；

图7是本发明的内模C-C剖面示意图；

图8是本发明的内模D-D剖面示意图；

图9是本发明的铝活塞毛坯结构示意图；

图10是现有技术模具组合示意图；

附图中：1-活塞顶模，2-活塞内模，3-活塞帽口，4-活塞毛坯，5-强冷水管，

101-顶模成形体，102-顶模连接块，103-顶模本体，104-水腔盖，105-顶模冷却体，106-进出水管，

201-内模热传导腔，

501-进水总管，502-进水支管，503-出水管。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当人认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1所示，一种铝活塞激冷组合模具，包括从上至下依次固定连接的活塞顶模1和活塞内模2，所述活塞顶模1在活塞帽口3处设置有一圈顶模成形体101，所述顶模成形体101底端向下凸起，在活塞毛坯4头部燃烧室部位铸造出燃烧室凹坑；所述活塞内模2设置有内模热传导腔201；所述活塞内模2底端与强冷水管5相连接，所述强冷水管5延伸入圆柱形内模热传导腔201，对所述活塞内模2进行不同部位冷却。

进一步的，如图2和图3所示，所述活塞顶模1还包括顶模连接块102、顶模本体103、水腔盖104、顶模冷却体105和进出水管106；顶模连接块102环绕固定在顶模成形体101外沿，并且顶模连接块102通过螺钉与顶模本体103相固定连接；顶模冷却体105设置于顶模连接块102正下方，环绕固定在顶模成形体101外沿，并且顶模冷却体105外沿与顶模本体103内沿相固定连接；顶模冷却体105顶端设置有一圈冷却水凹槽，水腔盖104设置在冷却水凹槽顶端，并且冷却水凹槽还与进出水管106相连通。

较现有技术，顶模结构表现为活塞头部燃烧室部位铸造出部分燃烧室凹坑如图9所示，一方面减少燃烧室的加工余量，另一方面减小活塞冒口的大小，减轻活塞毛坯重量，也减小了活塞头部厚大部位热节圆的大小，缸径在Φ105-Φ110的中型活塞铸件改进后的热节圆一般在Φ45左右，同时改进的组合顶模的冲水冷却主要针对活塞铸造燃烧室外侧头部平面，在下侧内模及左右外模的冷却作用下，使活塞铸造燃烧室外侧部位先行冷却凝固，以确保活塞毛坯由外到内的顺序凝固，解决活塞毛坯的收缩缺陷，降低活塞铸件补缩冷却时间，使活塞头部金相初晶硅不易长大变得细小均匀，提升铝活塞综合性能，间接增加铝活塞的使用寿命，也提高了活塞铸造生产效率。

进一步的，如图5-8所示所述内模热传导腔201整体呈凸字形，所述内模热传导腔201沿销座方向壁厚为8-10mm，沿裙部方向壁厚为15-20mm。所述强冷水管5包括进水总管501、多根进水支管502和出水管503；进水支管502长度大于出水管503长度；多根进水管从内模热传导腔201低端接入延伸至内模热传导腔201顶端；出水管503顶端与内模热传导腔201底端相连通，将换热冷却水排出。内模结构表现为较现有结构内模热传导壁变薄，冷却空间增大，下侧的强冷水管结构是增大进水冷却管径，冷却水管内径可达Φ15，再分配到3个冷却水管内径为Φ6的冷却水管对内模进行不同部位冷却，总冷却水流量可达40L/min以上，内模冷却效果好。

进一步的，多根所述进水支管502结构相同，等间距并列分布在内模热传导腔201内，多根所述进水支管502进水端连接同一进水总管501，出水端接近内模热传导腔201顶端。

本实施例为Φ110缸径活塞，活塞毛坯凝固补缩时间设定为100秒，激冷内模及激冷组合顶模均采用间断通水冷却，铝水浇注完毕后开始冲水冷却，组合顶模冲水50秒后关闭冷却水，激冷内模冲水70秒后关闭冷却水，使模具在热活塞毛坯包裹的状态下吸热回温，以保证下一只活塞毛坯浇注时有较高250℃~300℃的模具温度。

激冷模具内模结构表现为内模热传导壁薄，壁厚约为8-10mm，模具传热速度快，内模冷却腔大，增大了冷却接触面，提高了模具内模的热交换效率，下侧的强冷进水总管内径可达Φ15，总冷却水流量可达40L/min以上，分别连接内径为Φ6 的3个分水管对内模不同部位冲水冷却，使得内模冷却效果好。

激冷模具组合顶模结构表现为活塞头部燃烧室部位铸造出部分燃烧室凹坑，减少燃烧室的加工余量，减小活塞顶冒口，减轻活塞毛坯重量。

激冷模具组合顶模的冲水冷却主要针对活塞铸造燃烧室外侧头部平面，在下侧内模及左右外模的冷却作用下，使活塞铸造燃烧室外侧部位先行冷却凝固，以确保活塞毛坯由外到内的顺序凝固，降低活塞铸件补缩冷却时间，使活塞头部金相初晶硅变得细小均匀，金相等级可提高到2级；活塞头部试样的常温抗拉强度≥280MPa，高温抗拉强度≥90MPa，提升铝活塞综合性能，从而间接提高了铝活塞的使用寿命。

激冷组合顶模结构改变了活塞头部厚大部位热节圆的大小，缸径在Φ105-Φ110的中型活塞铸件的热节圆由改进前Φ60下降到改进后的Φ45左右，凝固时间改进前的130秒调整为100秒，减少了活塞毛坯凝固时间约30秒，提高活塞铸造生产效率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种铝活塞激冷组合模具，包括从上至下依次固定连接的活塞顶模（1）和活塞内模（2），其特征在于，所述活塞顶模（1）在活塞帽口（3）处设置有一圈顶模成形体（101），所述顶模成形体（101）底端向下凸起，在活塞毛坯（4）头部燃烧室部位铸造出燃烧室凹坑；所述活塞内模（2）设置有内模热传导腔（201），内模热传导腔（201）内径大于壁厚；所述活塞内模（2）底端与强冷水管（5）相连接，所述强冷水管（5）延伸入圆柱形内模热传导腔（201），对所述活塞内模（2）进行不同部位冷却。

2.根据权利要求1所述的一种铝活塞激冷组合模具，其特征在于，所述活塞顶模（1）还包括顶模连接块（102）、顶模本体（103）、水腔盖（104）、顶模冷却体（105）和进出水管（106）；顶模连接块（102）环绕固定在顶模成形体（101）外沿，并且顶模连接块（102）通过螺钉与顶模本体（103）相固定连接；顶模冷却体（105）设置于顶模连接块（102）正下方，环绕固定在顶模成形体（101）外沿，并且顶模冷却体（105）外沿与顶模本体（103）内沿相固定连接；顶模冷却体（105）顶端设置有一圈冷却水凹槽，水腔盖（104）设置在冷却水凹槽顶端，并且冷却水凹槽还与进出水管（106）相连通。

3.根据权利要求1所述的一种铝活塞激冷组合模具，其特征在于，所述内模热传导腔（201）整体呈凸字形，所述内模热传导腔（201）沿销座方向壁厚为8-10mm，沿裙部方向壁厚为15-20mm。

4.根据权利要求1所述的一种铝活塞激冷组合模具，其特征在于，所述强冷水管（5）包括进水总管（202）、多根进水支管（502）和出水管（503）；进水支管（502）长度大于出水管（503）长度；多根进水管从内模热传导腔（201）低端接入延伸至内模热传导腔（201）顶端；出水管（503）顶端与内模热传导腔（201）底端相连通，将换热冷却水排出。

5.根据权利要求4所述的一种铝活塞激冷组合模具，其特征在于，多根所述进水支管（502）结构相同，等间距并列分布在内模热传导腔（201）内，多根所述进水支管（502）进水端连接同一进水总管（202），出水端接近内模热传导腔（201）顶端。

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