曲阜金皇活塞股份有限公司273100
摘要：本文介绍了铝活塞裙部表面丝网印刷的形状设计及位置尺寸要求，丝网模板的设计、丝网印刷的工艺流程等。本文内容适用于铝活塞裙部表面丝网印刷的设计过程。
关键词：铝活塞；丝网印刷；模板
1前言
活塞是发动机的关键部件，通过活塞的往复运动，完成发动机的进气、压缩、膨胀做功和排气过程，与气缸盖和气缸体组成的燃烧室承受燃气作用力并传送至连杆曲轴，连杆对活塞的反作用力通过活塞裙部传递给气缸因此活塞的润滑条件差，摩擦损失大，工作温度高，活塞在内燃机中的服役条件最为恶劣。活塞在工作状况下，活塞裙部起到导向作用，由于受到润滑条件、高机械负荷、高热负荷等影响，裙部会产生剧烈磨损。发动机工作的性能，很大程度上取决于活塞的工作状况和使用寿命。
为了提高发动机的可靠性，减少铝活塞与缸套的摩擦，防止拉缸改善润滑特性，以往采用在铝活塞表面进行镀锡处理，镀锡污染环境达不到环保要求，现在大部分铝活塞均采用裙部表面印刷石墨。铝活塞裙部喷涂石墨后，可改善活塞的初期磨合性能和冷启动的抗拉缸性能。没有通过表面处理的活塞在发动机中运行时，需要经过较长时间的磨合期，同时会使活塞与气缸体的磨损较大。由于石墨分子结构排列形式的特点，其具备润滑特性好，耐高温氧化，耐腐蚀，摩擦系数低等特点。而经过裙部表面印刷石墨后的活塞，可改善活塞与气缸壁的初期磨合性，提高发动机冷态启动和极低室外温度时的抗拉缸性能，减小活塞与气缸壁之间的摩擦，从而大幅缩短发动机的磨合期。此润滑涂层在整机运行10万公里内，能够提供低磨损、平稳运转，减少排放污染、耐高温等优点，使整机长时间运转时，提供足够的马力，大大提高了整机性能和寿命。
传统的铝活塞石墨涂层工艺采用喷涂的方式进行，该方式制作的涂层质量不稳定，涂层厚度不一致，材料浪费严重，污染环境等缺点。裙部丝网印刷石墨涂层厚度均匀，涂料利用率高，生产效率高，操作环境卫生安全对操作者有利。裙部丝网印刷处理的活塞，在处理前的机械加工工序，将裙部外圆表面刀纹加粗，采用金刚石刀具车削，既保证了表面呈波纹形状，又避免了刀纹变粗后可能产生细微毛刺。刀纹变粗后能增加石墨层与活塞裙部表面的附着力，在发动机运转时延长石墨层开始脱落的时间，提高发动机性能。
2印刷形状的设计
需要裙部丝网印刷石墨涂层的铝活塞，先根据铝活塞结构特点设计印刷区域的位置及形状。印刷位置一般位于铝活塞裙部长轴方向加减45°范围内，印刷形状按照铝活塞裙部轮廓进行设计。具体要求：
①丝网印刷涂层的形状按照铝活塞裙部轮廓进行设计，没有固定要求，应遵循的原则为丝网印刷涂层边缘到铝活塞裙部面窗边缘的尺寸为≤5mm。因为铝活塞裙部窗口部位为铸造面允许有0.4mm的对称度，活塞裙部外圆在实际印刷时会出现偏移现象，该距离尺寸不能过小，过小会造成涂层印刷到活塞窗口处，涂料外流，产品外观质量不合格。印刷区域上下位置距离活塞边缘≤2mm。下图图中尺寸a为铝活塞面窗距离，网格区域为丝网印刷涂层区域。
上图为铝活塞丝网印刷用模板
设计铝活塞丝网印刷用模板的基本步骤：
①图示序号1是丝网模板外框，该形状尺寸根据丝网印刷机安装要求进行制作，外框材料一般为铝合金方管。为更换丝网模板方便快捷，应采用标准的外框尺寸。
②图纸序号2是丝网印刷区域的形状，根据产品设计出的丝网印刷涂层形状制作相应的丝网模板形状。这里要注意的问题是两个丝网印刷涂层形状之间的中心距离，中心距离尺寸不对会造成印刷的位置偏移，影响产品印刷质量。
③丝网模板的材料和丝网目数的确定。丝网的材料通常有尼龙、聚酯、丝绸以及金属丝，丝网的材料一般根据所要印刷的涂层材料来选取。丝网目数要根据产品图纸中要求印刷涂层的厚度进行确定，常用的丝网目数有92目、110目、140目等。
4丝网印刷涂层工艺
丝网印刷涂层的工艺流程一般为：水洗--上挂架--化学除油--热水洗--酸洗--磷化--冷水洗--烘干--丝网印刷涂层--固化—检验。
丝网印刷涂层的前处理工艺，首先是化学除油，根据不同的材质选择不同的脱脂剂，铝件一般选择弱碱性脱脂剂，在80℃左右碱液中浸2~4min。脱脂处理后还需要进行酸洗。丝网印刷涂层之前必须进行磷化处理，在60~80℃的磷化液中浸5~10min；磷化的主要目的是提高印刷涂层与铝基材的附着力。丝网印刷后的固化处理同样对印刷涂层与铝基材的附着力影响很大，因此固化用固化炉的温度及时间需要严格按照工艺要求进行设置，一般需要在180~190℃下保温1.5~2h。。
丝网印刷涂层失效形式一般为涂层鼓泡、针孔、脱落等。涂层脱落是最为严重的缺陷，涂层脱落的主要原因有：①铝活塞丝网印刷石墨前的表面清洁度达不到要求；②石墨原料和溶剂配比不符合要求；③固化炉的温度均匀性达不到要求。石墨涂层结合力用以下方法检验：用丙酮浸湿的棉布擦石墨涂层时，只允许布上有轻微的石墨痕迹；或用百格法划出网格，用胶带进行粘贴，检查涂层脱落情况。
5结语
铝活塞表面丝网印刷的涂层具有良好的自润滑性能，具有较低的摩擦系数，能有效降低发动机冷起动时的磨损，改善活塞与缸套间的初期磨合性能。随着涂层材料的研发，出现了更为优良的减磨涂层D10、D-6024、PA-744等材料，涂层材料的不同丝网印刷工艺也不相同，通过试验及改进，丝网印刷各种涂层的工艺明显改善和提高。
参考文献：
[1]袁国民，活塞丝网印刷石墨涂层质量问题分析，《电镀与涂饰》，2006.08
[2]刘达利，齐丕骧，《新型铝活塞》