CN102407431B - 一种带内冷却油腔的热旋压制锻钢整体活塞制造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带内冷却油腔的热旋压制锻钢整体活塞制造工艺，其采用整体锻造出活塞毛坯后，通过机械加工加工出带有内冷却油腔内侧部分和封堵内冷却油腔的遮挡部分的活塞半成品，然后加热遮挡部分采用热旋压工艺将活塞内冷却油腔遮挡部分向下旋压与内冷却油腔内侧部分接触，形成完整的内冷却油腔；内冷却油腔内侧部分与遮挡部分缝隙可不作处理，保留缝隙或采用普通焊接工艺如氩弧焊等进行简单封闭，然后再进行精密加工成活塞成品。本发明具有结构简单，制作工艺相对简便，生产效率高，制造成本低，能满足发动机高功率、高强化、低排放的要求等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种活塞制造工艺，尤其是一种带内冷却油腔的热旋压制锻钢整体活塞制造工艺。
背景技术
目前用于载重汽车、工程机械、铁路机车以及轮船等高性能柴油机要求功率大、油耗低、噪音小、排放低，其强化程度日趋提高。目前国内开发的车用柴油机爆发压力已超过20MPa，传统铸铝活塞已难以满足高性能柴油机可靠性的要求。针对大功率、高负荷的柴油机活塞，铰接式结构活塞和锻钢活塞便应运而生。
铰接摆体式结构活塞，即活塞头与活塞裙分开加工制造，通过活塞销连接起来，活塞头采用铸铁或锻钢材料，活塞裙采用铝材料制造。这种活塞因为活塞头与活塞裙分开制造，增加了加工成本，并且难以形成封闭的冷却油腔，活塞冷却效果差，同时因为需要更长的活塞销进行连接，总体重量也有所增加。
锻钢活塞在毛坯锻造生产时不能像铸造铝活塞那样浇铸出内冷却油腔，因此目前锻钢活塞普遍的生产工艺有以下几种：
中国专利CN1610601A公开了一种制造锻钢活塞的方法，该方法是活塞毛坯一体式锻造，用一个另外加工的环盖，与活塞头部加工出的环形沟槽组装，行成封闭油腔。但其制作工艺复杂，制造成本高，活塞的结构强度有待提高。
中国专利CN2851607Y公开了另一种制造锻钢活塞的方法，该方法是头部与裙部分别锻造，内冷却油腔是在头部与裙部分别加工后通过摩擦焊接形成，摩擦焊接受其工艺方式和设备结构性能、精度所限，同批生产的摩擦焊活塞其长度尺寸的一致性较差，导致活塞重量和焊接后所产生的内冷却油腔尺寸相差很大，从而使焊接废品率很高，直接影响发动机性能，而且焊接飞边大（一般在4-8mm），需要对其露在外面的焊接飞边进行专门加工处理，但内冷却油腔里面的焊接飞边无法去除，会影响到活塞冷却效果。
中国专利CN101265854A公开了另一种制造锻钢活塞的方法，该方法是活塞本体和活塞环体分别锻造和加工，然后通过激光焊接使其成为一体，焊接后两者间形成内冷却油腔。激光焊接由于为熔化焊，特别是激光技术采用偏光镜反射激光产生的光束使其集中在聚焦装置中产生巨大能量的光束，焊件会在几毫秒内熔化和蒸发，焊缝区化学成分因高温蒸发而与母材稍有不同，冷却时焊缝区容易出现气孔、偏析、夹杂和裂纹等铸造组织的结晶缺陷。激光焊接设备复杂、造价高，使用维护技术要求高、焊件厚度尺寸受激光器功率限制，对焊件清整、装配质量要求严格，因而其应用有很大的局限性。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种带内冷却油腔的热旋压制锻钢整体活塞制造工艺，该工艺能够简化目前带内冷却油腔的锻钢活塞制造工艺，采用该工艺制备的活塞能够满足高性能柴油机高功率、高强化、低排放的要求。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种带内冷却油腔的热旋压制锻钢整体活塞制造工艺，整体锻造出活塞毛坯后，通过机械加工加工出内冷却油腔内侧部分和封堵内冷却油腔的遮挡部分的活塞半成品，然后加热遮挡部分采用热旋压工艺将活塞内冷却油腔遮挡部分向下旋压与内冷却油腔内侧部分接触，形成完整的内冷却油腔，具体包括以下步骤：
1）锻造活塞整体毛坯；
2)对活塞整体毛坯进行热处理；
3）对活塞整体毛坯进行粗加工，加工出内冷却油腔内侧部分和封堵内冷却油腔的遮挡部分；
4）采用工频或中频加热电源，按粗加工后活塞半成品尺寸选用相对应的单圈水冷感应器加热封堵内冷却油腔的遮挡部分；
5）旋压封堵内冷却油腔的遮挡部分与内冷却油腔内侧部分接触，形成完整的内冷却油腔；
6）采用常规焊接工艺对内冷却油腔内侧部分与遮挡部分缝隙进行简单封闭；或者内冷却油腔不需要封闭，保留缝隙，不做处理；
7）对活塞半成品进行热处理；
8）分别加工出活塞环形槽、燃烧室、环槽、销孔、外圆及进出油孔；
9）对活塞表面进行磷化或石墨化处理。
所述活塞的材料是可锻造的调制钢或非调制钢。
所述步骤4）中的采用工频或中频加热电源加热封堵内冷却油腔的遮挡部分的工艺参数为：电源工作频率：10khz左右；谐振功率：60KW；加热温度：1100-1200℃；加热时间：≤10秒。
所述步骤5）中旋压封堵内冷却油腔的遮挡部分与内冷却油腔内侧部分接触，形成完整的内冷却油腔的工艺方法是：
5-1）将带有内冷却油腔内侧部分和封堵内冷却油腔的遮挡部分的活塞半成品装在旋压模上，并用模具定位；
5-2）采用缩径旋压的方式对活塞内冷却油腔进行封堵，即用双旋轮或三个旋轮在圆周上分布，其中一个旋轮在活塞端面，另外一个或两个旋轮在活塞径向，各旋轮同步压下进行旋压封堵，被旋压的活塞封堵内冷却油腔的遮挡部分受力均匀，能实现高速、大进给量的旋压加工；旋轮支架带动旋轮在数控操作系统预设置程序控制下自动轴向和径向运动，活塞半成品封堵内冷却油腔的遮挡部分在旋轮的碾压作用下产生连续塑性变形，最终与内冷却油腔内侧部分接触，形成完整的内冷却油腔；
5-3）旋压后期改作单轮旋压或双轮旋压，当旋轮之间要发生相互干涉时，改作单轮旋压；
5-4）旋压工艺参数：旋压模的主轴最高工作转速：n＝1500r/min；旋轮径向有效行程：200mm；旋轮轴向有效行程：400mm；旋轮径向有效推力：≤150KN；旋轮轴向有效推力：≤150KN；每道次的减薄率ψt≥0.2；总的极限减薄率ψtmax≥0.5；旋轮工作角α=10°-30°；进给比f=0.5-5mm/r。
所述步骤7）中的热处理过程为回火，在580-620℃保温1-2小时随炉冷却至200℃后出炉空冷。
本发明中的旋压模、模具仅为现有设备，在此不再赘述。
本发明的内冷却油腔内侧部分与遮挡部分缝隙可不作处理，保留缝隙或采用普通焊接工艺如氩弧焊等进行简单封闭，然后再进行精密加工成活塞成品。冷却油腔通过至少两个进出油孔与活塞内腔连通，可进油和出油，当活塞在发动机中工作时，机油从进油孔中喷入，并在环形冷却腔内震荡流动，从出油孔流出，带走活塞的热量，以降低活塞各部位的工作温度，保证活塞及活塞环的工作可靠性。
本发明由于是整体式活塞，因而具有更高的设计强度，特别是旋压成形过程中金属纤维保持连续完整，金属晶格产生结构应变，旋压区域的强度、硬度、抗拉强度和屈服极限都有所提高，并由此在活塞工作的高压力区域具有更高的安全系数。
所述锻钢整体活塞顶部设计有燃烧室，下部设计有销孔。
所述封堵内冷却油腔的遮挡部分设计有环形槽。
本发明为整体式锻造毛坯，粗加工后旋压形成内冷却油腔，内冷却油腔的形成工艺更简便，特别是环槽区、燃烧室等高压力区域为一体锻造，材料一致性好，不存在焊接可能导致的材料性能差异风险。
本发明在活塞裙部上方加工出环形槽，在长轴方向与内腔相通，不仅减轻了重量，而且有利于油环槽部位机油回油，同时增加了裙部柔性，有利于配缸间隙的减小和机油耗降低。
在活塞销孔方向两侧，锻出凹偏，在满足活塞强度要求前提下，减轻了整个活塞的重量。如需避让发动机机体上安装的喷油嘴，在活塞裙部下端，可以设计一缺口，以防止活塞运动到下止点时与喷油嘴干涉。
本发明不同于CN1610601A专利之处是，整体锻造出活塞毛坯后，内冷却油腔是在粗加工半成品后通过热旋压形成，使活塞的内冷却油腔的形成工艺减化，活塞的结构强度更高。而CN1610601A专利公开的锻钢活塞是组装结构，其最大的缺点是活塞刚性差，制造工艺复杂。
CN2851607Y专利公开的锻钢活塞制造方法需要预先锻造出活塞头部和裙部毛坯，然后再分别加工成半成品，通过摩擦焊接将活塞头部和裙部连接起来，并在两者之间形成内冷却油腔，焊缝必须要设置在活塞环槽之间的环岸上。该方法工艺路线长，加工工艺复杂。另外，摩擦焊接尺寸精度较差，同批生产的摩擦焊活塞其长度尺寸的一致性较差，导致活塞重量和焊接后所产生的内冷却油腔尺寸相差很大，而且焊接飞边大（一般在4-8mm），需要对其露在外面的焊接飞边进行专门加工处理，但内冷却油腔里面的焊接飞边无法去除，会影响到活塞冷却效果。环岸处的焊缝组织与母材组织存在较大差异，影响活塞加工尺寸的精度和尺寸稳定性，同时焊缝存在焊接缺陷可能，影响活塞环槽区域的强度设计。本发明由于整体锻造毛坯后然后加工出内冷却油腔内侧部分和封堵内冷却油腔的遮挡部分，然后通过热旋压形成内冷却油腔，工艺简便，特别是活塞燃烧室和环槽区域等高压力区域均为均质的锻造材料，安全系数更高。内冷却油腔的高度尺寸由于为加工形成，一致性好。
本发明不同于CN101265854B专利之处是，激光焊接焊缝区化学成分因高温蒸发而与母材稍有不同，冷却时焊缝区容易出现气孔、偏析、夹杂和裂纹等铸造组织的结晶缺陷。尤其是顶面焊缝区存在焊接缺陷将直接导致活塞失效，发动机无法正常工作，严重时损毁发动机。本发明是一体式活塞，由此具有更高的设计强度，旋压过程中，坯料的金属晶粒在变形力的作用下，沿变形区滑移面错移，滑移面各滑移层的方向与变形方向一致，因此，金属纤维保持连续完整。由于金属晶格结构应变，旋压制品的强度、硬度、抗拉强度和屈服极限都有所提高，所以环槽、燃烧室等高压力区域具有相对更高的安全限度。
本发明避免了目前锻钢活塞无法直接制造出内冷却油腔，需要预先制作出活塞头部和裙部（或活塞本体和活塞环体等）两体，然后用摩擦焊接或激光焊接等方法焊接成一体，并在两者之间形成内冷却油腔。
本发明能完全代替焊接工艺制造的带封闭内冷却油腔的锻钢活塞，解决了因焊接需要制作活塞两体所带来的加工复杂程度高和焊接所需的连接精度高、焊缝质量要求严等问题，具有结构简单，制作工艺相对简便，能满足发动机高功率、高强化、低排放的要求等优点。
本发明生产效率高，制造成本低，由于是整体式锻钢活塞，特别是旋压成形过程中金属纤维保持连续完整，金属晶格产生结构应变，旋压区域的强度、硬度、抗拉强度和屈服极限都有所提高，因此拥有更高的可靠性，能更好的满足发动机的性能要求。其结构为整体锻造出活塞毛坯后，通过机械加工加工出内冷却油腔内侧部分和封堵内冷却油腔的遮挡部分，然后加热遮挡部分采用热旋压工艺将活塞内冷却油腔遮挡部分向下旋压与内冷却油腔内侧部分接触，形成完整的内冷却油腔。内冷却油腔内侧部分与遮挡部分缝隙可不作处理，保留缝隙或采用普通焊接工艺如氩弧焊等进行简单封闭。
附图说明
图1和图2为整体锻造毛坯的主视图；
图3为整体锻造毛坯的仰视图；
图4为粗加工后的半成品图；
图5为本发明的结构示意图；
其中，活塞头部1，活塞环槽区2，活塞销座3，活塞裙部4，活塞裙部面窗5，内冷却油腔内侧部分6，封堵内冷却油腔的遮挡部分7，活塞销孔8，活塞裙部环形槽9，活塞内冷却油腔10，内冷却油腔封闭处11，燃烧室12。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1、图2和图3显示了利用热模锻方法制造的整体式锻造毛坯。图1和图2中用双点划线标示出了活塞成品轮廓，图2锻造毛坯中顶部增加了一个凹坑，减少了后续的机械加工余量。活塞毛坯上有活塞头部1、活塞环槽区2、活塞销座3和活塞裙部4。图3中活塞裙部有凹进的面窗5。
图4显示了对活塞毛坯机械粗加工后的活塞半成品，顶部有凹坑的毛坯用虚线标示出了毛坯凹坑的轮廓。活塞半成品上机械加工出了内冷却油腔内侧部分6和封堵内冷却油腔的遮挡部分7。
图5显示了根据本发明制造工艺加工好的活塞成品的基本结构形式，其中包括活塞头部1，活塞环槽区2，活塞销座3，活塞裙部4，活塞销孔8，活塞内冷却油腔10，活塞裙部环形槽9，内冷却油腔封闭处11，燃烧室。
本发明的详细制造工艺如下：
1）锻造活塞整体毛坯，材质为可锻造的调质钢或非调质钢，方法为热模锻，工艺分墩粗、预锻和终锻三步成形；
2）对活塞毛坯进行热处理：
调质钢热处理规范：在830℃保温1.5小时然后油冷，回火温度600℃，保温2小时；非调质钢直接空冷至室温，但应保证在3.5分钟内温度由约1100℃冷却至500℃；
3）对活塞整体毛坯进行粗加工，加工出内冷却油腔内侧部分6和封堵内冷却油腔的遮挡部分7；
4）利用中频加热活塞半成品上封堵内冷却油腔的遮挡部分，在小于10秒的时间里将其加热到1150℃；
5）旋压封堵内冷却油腔的遮挡部分7与内冷却油腔内侧部分6接触，形成完整的内冷却油腔11；
旋压工艺为：
5-1）将活塞安装在旋压模具上并定位；
5-2）采用缩径旋压的方式对活塞内冷却油腔进行封堵，用双旋轮在圆周上分布，其中一个旋轮在活塞端面，另外一个旋轮在活塞径向，双旋轮同步压下进行旋压封堵。旋轮支架带动各旋轮在数控操作系统预设置程序控制下自动轴向和径向运动，实现进给，活塞半成品封堵内冷却油腔的遮挡部分7在旋轮的碾压作用下产生连续塑性变形，最终与内冷却油腔内侧部分接触，形成完整的内冷却油腔；
5-3）旋压后期改作单轮旋压；
5-4）工艺参数：主轴最高工作转速：n＝1500r/min（变频可调）；旋轮径向有效行程：200mm；旋轮轴向有效行程：400mm；每道次的减薄率ψt≥0.2；总的极限减薄率ψtmax≥0.5；旋轮工作角α=10°-30°；进给比f=0.5-5mm/r。
6）用氩弧焊对内冷却油腔内侧部分与遮挡部分缝隙进行简单封闭；
7）对活塞半成品进行热处理：
热处理规范：在580-620℃保温1-2小时随炉冷却至200℃后出炉空冷。
8）分别加工出活塞环形槽、燃烧室、环槽、销孔、外圆及进出油孔；
9）对活塞表面进行磷化或石墨化处理。
本发明的附图仅仅描述和表示了其一种实施例，具体形状、结构、尺寸可以在不脱离本发明精神和范围的情况下，做出多种变化和调整。
Claims (4)
1.一种带内冷却油腔的热旋压制锻钢整体活塞制造工艺，其特征是，整体锻造出活塞毛坯后，通过机械加工加工出内冷却油腔内侧部分和封堵内冷却油腔的遮挡部分的活塞半成品，然后加热遮挡部分采用热旋压工艺将活塞内冷却油腔遮挡部分向下旋压与内冷却油腔内侧部分接触，形成完整的内冷却油腔，具体包括以下步骤：
1）锻造活塞整体毛坯；
2)对活塞整体毛坯进行热处理；
3）对活塞整体毛坯进行粗加工，加工出内冷却油腔内侧部分和封堵内冷却油腔的遮挡部分；
4）采用工频或中频加热电源，按粗加工后活塞半成品尺寸选用相对应的单圈水冷感应器加热封堵内冷却油腔的遮挡部分；
5）旋压封堵内冷却油腔的遮挡部分与内冷却油腔内侧部分接触，形成完整的内冷却油腔；
5-1）将带有内冷却油腔内侧部分和封堵内冷却油腔的遮挡部分的活塞半成品装在旋压模上，并用模具定位；
5-2）采用缩径旋压的方式对活塞内冷却油腔进行封堵，即用双旋轮或三个旋轮在圆周上分布，其中一个旋轮在活塞端面，另外一个或两个旋轮在活塞径向，各旋轮同步压下进行旋压封堵，被旋压的活塞封堵内冷却油腔的遮挡部分受力均匀，能实现高速、大进给量的旋压加工；旋轮支架带动旋轮在数控操作系统预设置程序控制下自动轴向和径向运动，活塞半成品封堵内冷却油腔的遮挡部分在旋轮的碾压作用下产生连续塑性变形，最终与内冷却油腔内侧部分接触，形成完整的内冷却油腔；
5-3）旋压后期改作单轮旋压或双轮旋压，当旋轮之间要发生相互干涉时，改作单轮旋压；
5-4）旋压工艺参数：旋压模的主轴最高工作转速：n＝1500r/min；旋轮径向有效行程：200mm；旋轮轴向有效行程：400mm；旋轮径向有效推力：≤150KN；旋轮轴向有效推力：≤150KN；每道次的减薄率ψt≥0.2；总的极限减薄率ψtmax≥0.5；旋轮工作角α=10°-30°；进给比f=0.5-5mm/r；
6）采用常规焊接工艺对内冷却油腔内侧部分与遮挡部分缝隙进行简单封闭；或者内冷却油腔不需要封闭，保留缝隙，不做处理；
7）对活塞半成品进行热处理；
8）分别加工出活塞环形槽、燃烧室、环槽、销孔、外圆及进出油孔；
9）对活塞表面进行磷化或石墨化处理。
2.如权利要求1所述的带内冷却油腔的热旋压制锻钢整体活塞制造工艺，其特征是，所述活塞的材料是可锻造的调制钢或非调制钢。
3.如权利要求1所述的带内冷却油腔的热旋压制锻钢整体活塞制造工艺，其特征是，所述步骤4）中的采用工频或中频加热电源加热封堵内冷却油腔的遮挡部分的工艺参数为：电源工作频率：10khz左右；谐振功率：60KW；加热温度：1100-1200℃；加热时间：≤10秒。
4.如权利要求1所述的带内冷却油腔的热旋压制锻钢整体活塞制造工艺，其特征是，所述步骤7）中的热处理过程为回火，在580-620℃保温1-2小时随炉冷却至200℃后出炉空冷。
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