1223613 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關一種針對汽機車活塞成形之製造方式，來取代傳统黎』、生 汽機車活塞之重力鑄造製程模式，由於製造汽機車活塞時，利用_#石卜巧 的砂心，在鑄造完成後均很難將砂心順利取出，因此必須採用其他之方去 解決。由於壓_製程生產速度咼，尺寸精確，表面平滑，是_個掣造气機 車活塞最理想的製程方法之一；首先，以熱室壓鑄機或冷室壓鑄機製造一 低熔點金屬材料模型體，此低熔點金屬材料模型體外型為汽機車活夷之内 邓形狀，將低溶點金屬材料模型體預熱，並在其上喷塗離型劑，放置於壓 鑄模具之砂心座巾，以壓鑄機壓鑄齡金完成活塞之鑄造成型，禱造完成 後直接在加熱爐中，加熱至低熔點金屬材料模型體熔點以上，鋁合金熔點 以下之λ度，將低、熔點金屬材料模型體直接溶出，即可以極快速之方式將 活塞完成，且熔出之低熔點金屬材料可回收再使用，完全符合環保需求， 、式製作出之產口口具有成型快速、成本低廉、後製程簡單、表面光滑 及尺寸精密度高等優點。 ，基本上，低炫點金屬材料模型體乃是—種健點之金屬材料，其主要 技術重點為其_需比活綱之贿起始溫度(峽)為低，以便使其在 處理㈣從活塞素材内型愤出。另在降低生產成本及環絲求之前題 下’低點金屬材料模型體必需要能回收。除了金屬砂心之材質需研發外， 5 1223613 其表面離型劑亦非常重要，適當之離型劑可防止在壓鑄高壓沖刷作用下， 造成銘合金紅金屬砂_，而使姆齡難觸蠢姐解剝離時， 能無素材表面確實分離乾淨。本發明專利之主要目的是以改良式壓禱製 程取代傳統重力鑄造製程，以提高活塞生產速度並降低生產成本。衣 又+’本發明在上述壓鑄製程製程中，_係有關於提供—種低溶點 才枓核型體來解決_般砂質的砂心，在鑄造完成後可輕易取出之方法。 【先前技術】 / 紹合金具有較高之熱傳導係數，質量輕且易成型又可自動化大量生 產，是現今產業界正積極努力研究的熱門㈣之由於齡金之溶點較 低’故其被廣泛應用於各種製程，如：重力鑄造(砂模、金屬模、脫壤禱造 模等)；高壓鑄造:（壓鑄、擠壓鑄造（Squeeze Casting)等)及塑性成型他 型、鍛造、滾壓、及抽伸等）。 铭。至輯製程在域速率及成本方面，均較其它餘為優，其缺點 為壓鑄品之品f因含有大量之纽錢孔，故品質較補定；近來為提高 壓鑄的品質’歐鱗紐國家均已·擠壓鑄造製程，目前國内部份研發 七構及車紹輪圈業已開始購人此方面的設備並進行研究，但是目前推廣 並不十分順利。 隨著時代的進步，對於商品品質的要求和降低成本，幾乎所有的產業 對壓鑄製域崎得重要，因此它的製絲力範圍和經濟性，普受工業界 理解。凡是商品可能使用壓鑄製程之處，幾乎已全被開發。 6 1223613 壓鑄就是糊高壓_將金屬液體填滿壓鑄模之模腔内，由機哭連續操 做高生產速度下將金屬材料製造成簡單或複雜形狀之鑄件。它是屬於夂久 模鑄造方式之-種。美國稱壓鑄為Die Casting，英國則稱壓禱為加雛 DieCasting。壓鑄係-種精密的鑄造方法，由於壓禱製程生產快速，尺寸 精良，切削加工量少，材料節省率高，使能降低鑄造成本，而給禱造工業 提供了最佳的工作方法。廣泛地用來製造汽機車零組性件、空氣壓縮機汽 缸、家電用品外殼、電腦硬碟框體、電腦地板、飾品等產品，其應用實 不勝枚舉。 ^ Μ 貝 汽機車工業麵壓鑄件之使用上，妓快速成長的最解—力量。汽 車製造商，對_動系、煞車系、操縱裝置、門絞鏈、輪罩、物里^ 體等’各種不同的功能用和裝飾用零件，使用越來越多_壓鑄件。” 者制心_目，蝴科伽》脚她況，Γ及 大置生產之成本。因為其強度對重量之比頗為優秀；表面品質極為優越和 用途未受嶋目素，目此，齡樹軸_合 逐年遞增。 何T要文里 /前在我國汽機車市場量射的四行程或二行料_之活塞，由於 2内部設糊部⑻軸狀_，故梅 : 形狀，必需使用同軸五心分離式中子作為砂心形 凡全减固後，需將_五心分離式巾子模具砂心， 力W雖月匕克服活塞之量產性，但因模具需顧及内型 模具，在活塞澆鑄完成且 刀成五個部份一片片依 1223613 序取出，因叫致活塞生產速度緩慢，致使生產成本居高不下。為解決上 述問題，壓鑄製程由於速度快成本低，為最有效的解決方式之一，伸是厚 鑄模具無法如重力鑄造___五,_式巾子當作砂心，因此利 用壓鑄製繼谢嫌_杨峨，i—糜所採用之 傳統砂心（砂與樹脂混合的材料）是無法承受輯製程中所施以之高壓力 量的沖刷™崩解。如樹_公告號彻46「具砂心之禱_ 峨造方法」’其採狀傳統砂心（砂與樹職合的材料）就無法承受壓禱 製程中所施之高壓沖刷，雜其内容說明採用低壓力、等速、高流量的方 式，如此就魏健鑄細陶製造方法，即使可鑄造絲，最後砂心 的取出也是具有其困難性。 —由上述可知，新和材㈣開發將成為關鑄製造活塞的重要關鍵之 —’另-關鍵性技術為壓鑄品質之改善，因—般壓鑄品存有大量之氣孔， 雖在某些汽機車零組件可勉強通過’但對於要求高品質無氣孔之活塞而 :’傳賴鑄品似乎無法滿足需求，故藉由壓触程之改善，以獲得高品 貝之活塞，亦為本實驗重點技術之一。 >飞機車業之傳統製造麟必須在設計功能或製造成本上尋长利其而 ，的活塞製造業者在前項並不具備特別優勢。由於台灣麵對於 應較快，模仿設計能力強，無論在交貨與品質上均有較崎握，因 1目河價格尚具有競爭優勢。但未來勞力密集的加工產業勢必要移往大 ρ土或工貧較低廉之東南亞國家’如此台灣的工薇除了接單以外，可能會 1223613 完全失去研發的功能。屆時台灣本絲非能轉往設計、創新、開發新產品 等功能發展，否則將面臨生存現實的危機。 【發明内容】 目丽汽機車業界所生產活塞狀齡金材質有四行料擎*二行尸引 擎之區別，分別採用八側及AC8C之齡金，為提高活塞之耐熱糾磨 财性能及提昇5丨擎性能戦«化之課題下，日後活塞所用之銘合全可 採用織複合材料(MMC)替代，騎料械於傳_合金具奴高強度及 較狀鳴及耐絲性質，因此非常適合活塞採用。 一般汽機車活塞由於性能之絲，其關具有挖空之料，且且有内 部大出口傾關，故謂造上無触單_巾子餘與鑄件錄，於是重 物造_同軸五心分離式中子當作砂心，所以成為目前活塞最主要之 製程’ ^重力鑄造採用_五心分離式中子製造活塞時，若内部空間之 形狀不容許直接以直線方式抽出心型，則需改採可堆疊式之心、型，但先決 條件必縣分離件，方能從鑄相部分離，並且鑄細部之孔形必須夠大， 才能取出可堆疊之心型。镇 、 側之清肖，可由滑動心型作直接成形， 必聽辆勻，或財適當眺模斜角。若雜妨礙到滑動 U在核穴_的，頭上置—鬆件，將_鑄件取下，然後 抽出’並放回鑄模内，以待下次⑽。這些活動件心型，必須緊 岔配合於它的«虹，_免金魏獻人而歡於鑄㈣。” 、由於重力鑄造生產速度慢’且流動性較差，故量產性及鑄胚厚度將成為 成本〜加之主要_。為能使活塞製程採關鑄製造，首先需克服之技術 為開發出可替代同轴五妙離式中子的技術。 —本毛月為了解決以壓鑄製程製造汽機車活塞的問題，同時考慮汽機車活 塞砂心取出的問題’並考慮砂心所承受壓鑄製財麟以之高壓力量的沖 刷而避免_解_。因此發日_汽__快速成形 之製作方式，來取代傳統製造汽機車活塞之重力鑄造製程模式。其示意圖 々口 1所不，錢’以熱室壓鑄機製造_低溶點金屬材料模型體，此低溶 點金屬材龍魏外型紐機輪塞之㈣做，職魅金屬材料模型 體預熱，並噴塗離_，放置於_模射，賴鑄機完成活塞之鱗造成 型(如圖2卿），鑄造完成彳_咖熱之方翻_金_犧型體直 胁出’即可以極快速之方式將完成，且糾之倾點金屬材料回收 再制，_合_求，⑽方式_之產品具_快速、成本 低廉、後製程簡單、表面光滑及尺寸精密度高等優點。 基本上，低溶點金屬材料模型體乃P種低炫點之金屬材料，兑主要技 術重點為其、魅咖麵之_崎(峽)魏，猶 理時易從活塞諸_愤出。另麵低生產成本及環保需求之前題下， 低_屬材料模型體必需要能回收。除了金屬砂心之材質需研發外，直 表面離型劑《常重要’適#之_财防止在壓料壓沖刷作用下4 成銘合金滲人金屬砂心中，而使金屬砂心在鱗_時，能油素材表面 ^3613 確貫分離乾淨。本發明專利之主要目的是以改良式壓鑄製程取代傳統重力 鑄造製程，以提高活塞生產速度並降低生產成本。 本發明主要之技術重點有： L昼鑄模具之設計及製造，以確織鑄齡金活塞之可行性並確保其尺寸 之精確度。 2. 以特殊可回收低魅金屬材料模型體，取代傳統同軸五心分離式中子砂 心形模具及傳統砂質砂心、（砂與樹脂混合的材料），以克服活塞不能以壓 鑄製程製造之盲點。 3. 離型劑的使用是有關-種隔熱的作用，避免齡金高溫液體之熱量迅速 料至娜點金紐料麵勒’另外的作用是隔絕齡金賴與低炫 點金屬材料模型體直接接觸，避免相互產生反應而影響日後溶出不完全 的問題。 4. 崩散綱使用是有M-種在鱗點金屬材料模型體巾扮雜化溶解之角 色，使壓鑄70成後、熔出時能迅速溶解及崩散，使能完全與鑄件分離。 5·壓鑄時鋁合金高溫液體的熱量大部份被金屬模具吸收，其餘熱量由離型 劑傳導至低炫點金屬材料模型體時，由熱傳導係數較高之低熔點金屬材 料模型體實心塊材吸收；因此低熔點金屬材料模型體所承受的溫度甚 低，決對可以避免低熔點金屬材料模型體產生局部熔解現象。 6.藉由實驗分析叮疋壓鑄之最佳製程參數條件，使能製造高品質無氣孔之 活塞。 1223613 總之，本發明專利之目的是以改良式壓鑄製程取代傳統重力轉造製 程，以提高活塞生產速度並降低生產成本；啊麵材質之採用下，可提 鬲未來活基之機械性能及增加其使用範圍。 【實施方式】 *本發明係針對汽機車活塞以快速成型之製作方式，來挑戰傳統之重力 鑄造模式，獅咖3 ，魏，_觸賴造—健點全屬 材料模型體，此點金屬材料麵料型為汽機輪塞之_形狀，其 主要之目的絲代傳統精密鑄造所制之砂心，使壓鑄製程可料成齡 中空之條件。 低熔點金屬材料模型體需具備下列特徵： ⑴熔點低 (2) 強度必需⑨承擔壓鑄時!g湯所施之高壓沖刷 (3) 必需具有可回收再使用性 ^ •、谷點金屬材料模型體是峰錫合金躲要材料， 在離型财添㈣賴德㈣⑽），私敉狀轉目喊在 ^加熱咖猶齡_觸讀時纽峰㈣躲淨’低_4 材料杈型體可_熱室壓鑄機或
MO 生產’使用之離型劑係以;E J為主，鋅-錫合金之炫點配置為她以下較適當，？ 鋅-錫合金相圖為依據(如圖4所示）， ' 94〇/〇Zn-6〇/〇Sn 3SO〇C ,- ，口鋅·'錫合金材質取得容易、高3 12 1223613 度適中“礼便且’因此鋅_錫合金為最適當之材質，當然另可選擇溶點配 置為38GgC町之任何可使狀合金種類。 為使低魅金屬材賴龍在壓鑄完錢除去時祕速轉及崩散， 使能完全與齡分離’德·巾仍編姻劑，其賴需比鋅_錫合金 更低，其功能為在低溶點金屬材料模型體中扮演摧化雜之角色。氮化删 溶點約為28〇0c為合適之崩散劑，添加量為1〇%左右。低溶點金屬材料模 型體之製作亦採用_製程，健點金屬材料模型體麟之條件為繞注溫 度450GC，模具預熱溫度為15〇〇c。 活塞所採狀㈣均為齡金，主要触f承受高溫及縫，並以極 高速度進行往復運動。故其材質之重點為：耐磨性佳、高溫強度佳、 及需具有較低之熱膨脹魏，如何滿足上述絲為改善活塞餘的重要指 標。目前業界所量產之活塞，依引擎種類不同所採用之材質為細㈣于 程引擎)及AC8C(二行程引擎），其中AC8C為高魏合金，其主要之目的為 減少活塞因熱所產生之熱變形（熱膨脹係數低），且高柯增加活塞之硬度 與耐磨耗性。 壓鑄模具分為活塞内部之心型模具(低炫點金屬材料模型體)與活塞外 部之外型· _，壓鑄機本身除了具備有射出壓力、速度可由控綱來 調整之功料，射出行程之控㈣由_齒條式譯·將行程長度轉換成 數位信號輸人控繼作為喊信號來控制行程之作動，故射出行程可由 控制箱之面盤以輸入數值之方式來設定。 13 1223613 在壓鑄汽機車活塞前，先將低熔點金屬材料模型體預熱，並喷塗離型 W，以避免壓鑄日$鬲溫與咼壓之紹湯壓入模内時將辞合金溶化或與之產生 反應，且便於離型，以利將低熔點金屬材料模型體順利熔出，適合的離型 劑有石墨系列及Al2〇3系列兩種。在本發明中係採用之離型劑為（編d * ι〇〇υκ)+1〇%ΒΝ(氮化·)+10% Graphite(石墨），在實際操作中使用的效 果令人滿意。 鑄造完成後直接以加熱之方式將·點金屬材料_體直麟出，即 可以極快速之方式騎塞完成，域出之鱗點金屬材料㈣再使用，完 全符合環«求，以此方式製作出之產品具有成型快速、成本低廉、後製 程簡單、表面光滑及尺寸精密度高等優點。 基本上，低魅金屬機模型體乃是—種低魅之金屬侧，其主要技 術重點為魏點需比活塞材狀鑛起始溫度(58吻為低，讀使其在處 理時易從活塞储_愧出。另在降低生產成本及環«求之前題下， 歸點金屬材料模型體必需要能回收。除了低溶點金屬材料模型體之材質 需研發外，其表_制亦轉重要，適#之_射防止在麟高壓沖 刷作用下，造絲合金滲人娜點金屬材料模型體中，而使低顏金屬材 枓拉型體在炫解剝離時，能與銘素材表面確實分離乾淨。本發明專利之主 要目的是以改良式壓鑄製程取代傳統重力鑄造製程，以提高活塞生產速度 並降低生產成本。 首先物點金屬材料模型體在心型模具中壓禱完成，由於鱗點金屬 14 1223613 材料模型體本身具有-定的強度，且表面喷塗離型劑，因此放入外顏鑄 模具中可抵馳合金液體之沖刷，不致產生雜伽，外龍具以则61 耐熱工具鋼製造，低炼點金屬材料模型體放入壓禱模具之砂心座内，以紹 合金麼鑄機，成活塞之鑄造成型，由於齡金輯—般都是製作較薄的缚 件，結合金高溫液體以高速射入模具’因鑄件厚度很薄，離型劑之熱傳導 係數比金屬模具低且低炼點金屬材料模型體又是實心材，因此銘合金高溫 液體的熱量大部份被金屬模具吸收，其餘熱量由離型劑傳導至低朗2 材料模型體時，由熱傳導係數較高之低溶點金屬材料模型體實心塊材吸籲 收’因此低炼點金屬材料模型體所承受的溫度甚低，決對不會造成低溶點 金屬材料模型體產生局雜解現象，經實驗證f也沒有局雜解現象發生。 鑄造完成後將四個活塞切割下來，再麟塞倒立於加熱爐内，直接x以加 熱之方式將低魅金屬材料模蠢直麟出。錄㈣財也可以銘合金 固冷處理溫度作躲出溫度，ls合金隨處理触出處理同時完成後，再 進行淬火與人坤效處理；t然若只做錄糾就不需加熱至較高的固溶 知里溫度，因此可同時對活塞進行熱處理或分開做均可，利用此法製造活# 基不但轉_鑄造法之鑄件表面光滑且壁厚㈣，対節省後加 理之成本。 【產業上利用之可能性】 本發明針對汽機辆塞齡傳統之重力鑄造製造模式，_用製造成 15 丄A厶 本低廉的壓鑄製程，來取你 代傳統之重力鑄造製程模式；利用低熔點金屬材 料模型體，放置於壓鑄槿I击 ~衩具中，以壓鑄機完成活塞之鑄造成型，鑄造完成 後直接以加熱之方式將_點麵材韻型體直減出，即可以將活塞完 成’且出之低熔點金屬材料可时再使用，以此方式製作出之產品具有 成錢速、成本低廉、魏程簡單、表面綺及尺寸精密度高等優點；利 用本發明巾之製造方法可直接大量生產汽機車紹合金活塞。
16 1223613 【圖式簡單說明】 第一圖：本案較佳實施例之活塞鑄造成型示意圖。 第二圖：本案較佳實施例之壓鑄機完成活塞鑄造成型示意圖。 第三圖：本案之壓鑄活塞製造流程圖。 第四圖：鋅-錫合金相圖。 主要元件圖號說明： 10:活塞 # 11:低熔點金屬材料模型體 21:洗流道
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