王麗霞 宋文平 劉輝

(①濱州學(xué)院自動(dòng)化系，山東濱州 256603;②山東濱州渤?；钊煞萦邢薰?，山東濱州 256602)

活塞作為發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件，其毛坯鑄造技術(shù)及設(shè)備都有專業(yè)化的特點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)外鋁合金活塞鑄造大多采用金屬型重力鑄造方式，即從金屬模具頂部設(shè)計(jì)的澆口澆鑄液態(tài)合金材料，利用重力，自上而下布滿整個(gè)模具型腔。模具組件由頂模、外模、內(nèi)芯、邊芯組成，通過(guò)各自的連接件和導(dǎo)向件安裝在工作臺(tái)上，在澆鑄時(shí)，活塞模具組件直立放置，模具的順序開(kāi)合動(dòng)作均由液壓原件及系統(tǒng)來(lái)完成。對(duì)于鑲?cè)Φ阮愋突钊瑸槭節(jié)茶T更加平穩(wěn)，減緩鋁液對(duì)模具及內(nèi)置件的沖擊，提高毛坯質(zhì)量，通常的做法是將工作臺(tái)設(shè)計(jì)成可傾轉(zhuǎn)模式，即在澆鑄鋁液之前，模具組件隨工作臺(tái)傾轉(zhuǎn)，與水平面之間形成20°～30°夾角。工作臺(tái)及所有附加在其上面的模具、驅(qū)動(dòng)油缸、導(dǎo)向滑軌等組件通過(guò)對(duì)稱布置的傾轉(zhuǎn)裝置，安裝在以地腳螺栓固定的床身上。對(duì)于活塞直徑在200 mm以下的傾轉(zhuǎn)鑄造機(jī)，由于模具尺寸和驅(qū)動(dòng)油缸規(guī)格不大，其工作臺(tái)和床身尺寸并不龐大，但對(duì)于直徑超過(guò)200 mm甚至達(dá)到300 mm的大型柴油機(jī)和船用活塞，其模具組件尺寸就達(dá)到了500 mm以上，外模油缸行程也在300 mm以上，如果仍按照上述傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)傾轉(zhuǎn)工作臺(tái)，那么工作臺(tái)的尺寸和重量都將十分龐大。為此，對(duì)于大型活塞鑄造機(jī)，如何減小工作臺(tái)的尺寸和重量，使結(jié)構(gòu)更加緊湊，從而提高效率，降低能耗，是我們研究的關(guān)鍵所在。

1 鑄造機(jī)整體布局設(shè)計(jì)

圖1所示為目前廣泛應(yīng)用的鋁合金活塞傾轉(zhuǎn)鑄造機(jī)整體布局圖，包括固定床身和傾轉(zhuǎn)部件，傾轉(zhuǎn)部件包括傾轉(zhuǎn)工作臺(tái)、外模機(jī)構(gòu)、頂模機(jī)構(gòu)、中芯機(jī)構(gòu)、邊芯機(jī)構(gòu)等，工作時(shí)由傾轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動(dòng)隨工作臺(tái)一起傾轉(zhuǎn)20°～30°。按照上述方法設(shè)計(jì)，傾轉(zhuǎn)工作臺(tái)的尺寸就必須能容納下外模機(jī)構(gòu)、頂模機(jī)構(gòu)、中芯機(jī)構(gòu)、邊芯機(jī)構(gòu)等，如果模具尺寸增大，那么各機(jī)構(gòu)中負(fù)責(zé)完成開(kāi)合模動(dòng)作的油缸的行程與缸徑也必須加大才能夠保證正常使用，這樣傾轉(zhuǎn)工作臺(tái)的尺寸也會(huì)隨之變大。由圖1可知，影響傾轉(zhuǎn)工作臺(tái)尺寸的主要是外模油缸。外模油缸負(fù)責(zé)完成外模的開(kāi)合模動(dòng)作，分別安裝在傾轉(zhuǎn)工作臺(tái)的兩側(cè)，當(dāng)模具尺寸變大時(shí)，外模油缸的行程與缸徑也會(huì)變大，進(jìn)而使傾轉(zhuǎn)工作臺(tái)尺寸變大。按照?qǐng)D1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的澆鑄直徑φ250 mm活塞的傾轉(zhuǎn)工作臺(tái)長(zhǎng)度接近3.5 m，傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的重量超過(guò)7 500 kg，這勢(shì)必會(huì)給傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等零部件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)造成一定影響，消耗大量材料和動(dòng)力。

圖2所示為我們針對(duì)直徑在200 mm以上大型鋁合金活塞毛坯鑄造設(shè)計(jì)的一種新型傾轉(zhuǎn)鑄造機(jī)三維軸測(cè)圖。具體結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括床身、外模油缸和傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)置于床身中，傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括傾轉(zhuǎn)裝置和傾轉(zhuǎn)工作臺(tái)，傾轉(zhuǎn)裝置和外模油缸都固定于床身上，外模油缸活塞桿穿過(guò)傾轉(zhuǎn)裝置與設(shè)于傾轉(zhuǎn)工作臺(tái)上部的外模連接裝置相連，內(nèi)置導(dǎo)向裝置對(duì)其進(jìn)行行程方向上的導(dǎo)向。

與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)不同的是，外模油缸不是安裝在工作臺(tái)上，而是固定安裝在床身上，不隨工作臺(tái)做傾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此外模油缸活塞桿必須通過(guò)特殊結(jié)構(gòu)，使其既能與設(shè)于傾轉(zhuǎn)工作臺(tái)上部的外模連接裝置相連，完成傾轉(zhuǎn)時(shí)的伸縮運(yùn)動(dòng)，傳遞開(kāi)合模的推力，又能不隨之發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在設(shè)計(jì)時(shí)，我們將外模連接裝置的旋轉(zhuǎn)中心、傾轉(zhuǎn)工作臺(tái)的傾轉(zhuǎn)中心、傾轉(zhuǎn)裝置的旋轉(zhuǎn)中心與外模油缸活塞桿中心同軸，這樣保證了所有參與傾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的部件不會(huì)發(fā)生偏心運(yùn)動(dòng)。由于傾轉(zhuǎn)工作臺(tái)傾轉(zhuǎn)時(shí)外模油缸固定不動(dòng)，不參與傾轉(zhuǎn)，因此傾轉(zhuǎn)工作臺(tái)的尺寸就會(huì)因沒(méi)有安裝外模油缸而縮小，質(zhì)量也會(huì)減小。根據(jù)計(jì)算，與圖1的設(shè)計(jì)方法相比，本方案設(shè)計(jì)的傾轉(zhuǎn)工作臺(tái)的長(zhǎng)度僅有1.6 m，縮短了54%，質(zhì)量降至4 300 kg，降低了43%。傾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所需油缸也由2個(gè)減至1個(gè)。經(jīng)計(jì)算傾轉(zhuǎn)工作臺(tái)的重心恰好位于傾轉(zhuǎn)裝置的回轉(zhuǎn)中心附近，這種結(jié)構(gòu)增加了傾轉(zhuǎn)時(shí)的穩(wěn)定性。

2 新型外模傾轉(zhuǎn)連接裝置的研發(fā)

新型外模連接裝置區(qū)別于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)是:解決了外模油缸5的活塞桿在傳遞推力的同時(shí)，能夠不隨傾轉(zhuǎn)工作臺(tái)3上的外模做傾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題。如圖4所示，外模連接裝置包括推力調(diào)心滾子軸承3、外模軸承座4和外模油缸連接軸5。外模油缸連接軸5設(shè)置于推力調(diào)心滾子軸承3內(nèi)，推力調(diào)心滾子軸承3設(shè)置于外模軸承座4內(nèi)。

新型傾轉(zhuǎn)裝置由兩個(gè)調(diào)心滾子軸承2來(lái)支撐工作臺(tái)并能圍繞空心軸回轉(zhuǎn)一定角度，外模油缸1通過(guò)外模油缸連接軸5和推力調(diào)心滾子軸承3與外模機(jī)構(gòu)連接。推力調(diào)心滾子軸承可承受雙向開(kāi)合模的推力，因此，外模油缸活塞桿既傳遞了油缸推拉力，又在推力軸承和導(dǎo)向鍵的作用下，減小和約束了回轉(zhuǎn)摩擦力，因而不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

根據(jù)結(jié)構(gòu)要求，我們選擇型號(hào)為29420的推力調(diào)心滾子軸承，在5 MPa工作壓力下，以φ180 mm缸徑的外模油缸為例，其產(chǎn)生的合模推力P0約為12.7 kN，因?yàn)檩S承在工作載荷下不旋轉(zhuǎn)，只需校核其靜強(qiáng)度。此軸承基本額定載荷Ca為778 kN，C0a為2 343 kN，按軸承靜載荷承載能力需滿足C0≥S0P0，其中S0為軸承靜強(qiáng)度安全系數(shù)。由于鑄造機(jī)外模開(kāi)合屬于沖擊及不均勻載荷，S0取值在1～1.5之間，我們?nèi)≈?.5，由此得出，S0P0=19.05 kN，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其靜強(qiáng)度要求的基本額定載荷。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)新型傾轉(zhuǎn)連接裝置的研發(fā)，解決了外模油缸與傾轉(zhuǎn)工作臺(tái)的分離運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，是此類大型鑄造機(jī)輕量化設(shè)計(jì)的一次變革。以本設(shè)計(jì)為例，工作臺(tái)長(zhǎng)度由傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的3.5 m縮短至1.6 m，傾轉(zhuǎn)重量由原來(lái)的7 500 kg，減小至4 300 kg，傾轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)也由兩個(gè) φ150 mm缸徑的油缸減少為一個(gè)。這種新型的大型活塞傾轉(zhuǎn)鑄造機(jī)已成功地應(yīng)用于企業(yè)的出口產(chǎn)品毛坯生產(chǎn)，滿足了企業(yè)大型活塞毛坯機(jī)械化鑄造的生產(chǎn)要求，在提升了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的同時(shí)，節(jié)約了設(shè)備運(yùn)行能源損耗，為大型活塞乃至其它重力傾轉(zhuǎn)鑄造設(shè)備的設(shè)計(jì)提供了一條新的思路。

［1］朱利民.汽車鋁活塞鑄造機(jī)械化生產(chǎn)［J］.鑄造技術(shù)，2008(1).

［2］王計(jì)波，王玉霞，姚桂君，等.大型活塞澆鑄技術(shù)及裝備［J］.石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010(4).