文／王建軍，胡鑫帥，陳艷杰，顧軍，姚毅，李玲蔚，曹國輝·一汽鍛造（吉林）有限公司

活塞是汽車發(fā)動機的“心臟”，承受交變的機械負荷和熱負荷，是發(fā)動機中工作條件最惡劣的關(guān)鍵零部件之一。隨著國五及國六排放標準實施，常規(guī)的鋁合金和鑄鐵活塞已遠遠不能適應(yīng)高性能發(fā)動機的高增壓、低油耗、低排放等新技術(shù)要求。鍛鋼結(jié)構(gòu)活塞因卓越的抗高溫性能，可承受住重型商用車發(fā)動機的高爆發(fā)壓力，成為了最佳解決方案。爆發(fā)壓力是發(fā)動機氣缸里最高壓力，它決定了發(fā)動機對外輸出的功率及排放，發(fā)動機爆發(fā)壓力在1961年只有110Bar，2000年上升到180Bar，隨后幾年加速上升至240Bar，預(yù)計2020年可達到270Bar。隨著越來越嚴苛的排放標準實施，中國汽車發(fā)動機行業(yè)將發(fā)生較大變化，尤其是重型柴油機對鋼活塞的需求將會日益上升，鍛鋼活塞的需求量將會逐年攀升，市場前景會更加寬廣。

發(fā)動機活塞產(chǎn)品介紹

活塞在高溫、高壓、高負荷條件下工作，對材料、機械性能要求相對比較高，要有足夠的強度、剛度，重量要輕，以保證最小的慣性，導(dǎo)熱性還要好，還需耐高溫、高壓、腐蝕，保證充足的散熱能力，且受熱面積要小。按制造活塞的材料及演變過程可分為鋁合金活塞、鑄鐵活塞、鋼活塞三大類。

鋁合金活塞

鋁合金活塞材質(zhì)輕，能有效降低總成重量，密度小，大大減小了活塞的質(zhì)量及往復(fù)運動的慣性力。鋁合金活塞常常應(yīng)用于中小缸徑的中高速內(nèi)燃機上，工作過程中產(chǎn)生的慣性小，對高速內(nèi)燃機的減振和降低發(fā)動機的質(zhì)量有重要意義，典型鋁合金活塞如圖1所示。

鑄鐵活塞

現(xiàn)代發(fā)動機尤其是柴油機為了大幅度地提高熱效率，增壓程度不斷提高，這使得氣缸內(nèi)部的熱負荷明顯增大。鋁合金活塞本身固有的熱強度不高、線膨脹系數(shù)較大的缺點越來越嚴重，使其在柴油機上的使用范圍受到明顯的限制。為此，在一些大負荷的柴油機上，開始采用熱強度和耐磨性較高而線膨脹系數(shù)較低的鑄鐵活塞，鑄鐵的密度約為鋁合金的3倍，中、小型卡車典型的鑄鐵活塞如圖2所示。

鍛造鋼活塞

以上活塞都是采用鑄造工藝進行生產(chǎn)，隨著大馬力汽車發(fā)動機快速發(fā)展，尤其是重型柴油發(fā)動機渦輪增壓，低排放等要求的不斷提高，傳統(tǒng)鋁合金及鑄鋼活塞材料已無法滿足使用要求。目前國外很多公司已將鋼活塞應(yīng)用于高性能中重型柴油機上，如曼、卡特彼勒、康明斯、戴姆勒、沃爾沃、奔馳等公司。

鋼的機械強度高，耐熱性、耐蝕性以及耐磨性均優(yōu)于鋁合金和鑄鐵，具有高彈性模量，優(yōu)良而穩(wěn)定的高溫性能和比較低的線膨脹系數(shù)等優(yōu)點，但缺點是密度大、加工麻煩、成本高，對缸套的磨損嚴重，為使活塞質(zhì)量更輕，通常將鋼制活塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計得十分復(fù)雜，活塞裙部斷面很薄，鍛造工藝難度較大，復(fù)雜系數(shù)達到S4級別，鋼活塞產(chǎn)品如圖3所示。

鍛造鋼活塞生產(chǎn)研究

鍛造鋼活塞在最近幾年發(fā)展比較迅速，是活塞產(chǎn)品的主流生產(chǎn)工藝，隨著國家對環(huán)保力度的加強，發(fā)動機排放標準日趨嚴格，鋼活塞產(chǎn)品的發(fā)展空間將會更大。鍛造活塞對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、形狀要求嚴格，生產(chǎn)成本高，后續(xù)機加工難度比較大，在生產(chǎn)過程中容易產(chǎn)生模具壽命低、裙部充不滿、裙部變形、淬火裂紋、表面質(zhì)量不滿足要求等問題。

活塞鍛件結(jié)構(gòu)分析

⑴活塞進、出油孔。

傳統(tǒng)的鋼活塞內(nèi)腔進、出油孔都是通過機加工實現(xiàn)的，這樣活塞產(chǎn)品內(nèi)腔結(jié)構(gòu)比較簡單，模具內(nèi)芯經(jīng)過氮化處理后抗磨損性能加強，模具壽命較高。隨著客戶對產(chǎn)品要求的不斷提高，原來經(jīng)過機加工方式獲得的進、出油孔結(jié)構(gòu)需要采用鍛造方式實現(xiàn)，這就給鍛造工藝帶來很大的難度，常見的活塞進、出油孔結(jié)構(gòu)如圖4所示。

目前高壓縮比活塞產(chǎn)品進、出油孔結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，個別出油孔直徑只有φ8mm左右，拔模角在5°～10°，這樣給模具制造帶來很大難度，進、出油孔直徑比較小，在模具上呈現(xiàn)凸起結(jié)構(gòu)，耐磨性差，導(dǎo)致模具壽命偏低。同時客戶對鍛件進、出油孔尺寸精度要求非常高，有輪廓度、公差的要求，輪廓度要求±0.5mm，生產(chǎn)過程中模具稍有磨損就可能導(dǎo)致輪廓度超差，產(chǎn)生批量廢品，油孔形狀如圖5所示。

⑵鍛鋼活塞結(jié)構(gòu)。

1)整體結(jié)構(gòu)：發(fā)動機在國四排放標準之前，國內(nèi)主流鍛造活塞為整體結(jié)構(gòu)，將活塞頭與活塞裙集成為一體，鍛件毛坯重量約為成品重量的2～2.5倍，經(jīng)過機加工后成品重量比較輕，同時強度及性能都可以滿足工況要求，活塞整體高度降低，減小了發(fā)動機高度，節(jié)約了裝配空間，同時對減輕整車的重量有著積極的作用，但是這種結(jié)構(gòu)的活塞加工成本較高，活塞油道環(huán)狀凹槽加工難度大，對機加工設(shè)備、工藝、加工刀具的壽命具有很大的挑戰(zhàn)性，典型的整體鍛造鋼活塞產(chǎn)品如圖6所示。

2)鉸接結(jié)構(gòu)（鋼活塞頂部+鋁合金裙部）：大馬力發(fā)動機的活塞負載很大，所以要用鋼材料，而活塞是往返運動件，消耗的能量很多，這就要求重量應(yīng)盡量輕一些，所以底部還是要用輕材料鋁合金，這樣就誕生了鉸接結(jié)構(gòu)活塞，如圖7所示。

3)分體結(jié)構(gòu)（鋼活塞頭+鋼活塞裙）：活塞頭和活塞裙通過激光焊接組成的活塞可以滿足發(fā)動機排放標準要求，同時此種活塞以高壓縮比，燃燒更充分等優(yōu)點將逐漸替代整體鋼活塞，鍛造鋼活塞頭及活塞裙產(chǎn)品如圖8所示。

鍛造過程模擬分析

活塞產(chǎn)品設(shè)計過程中采用Forge軟件進行工藝模擬，通過對鐓粗、預(yù)鍛、終鍛各工位數(shù)值模擬，在項目開發(fā)過程中將工藝、設(shè)計等問題的風(fēng)險降到最低，經(jīng)過幾輪的工藝模擬論證，最終確定數(shù)模用于模具加工制造。

⑴鐓粗模擬結(jié)果分析。

鐓粗工位主要控制坯料鐓粗高度及去除氧化皮，鐓粗高度對預(yù)鍛件充滿程度有很大影響，此活塞產(chǎn)品坯料高度由135mm鐓粗至90mm。

⑵預(yù)鍛模擬結(jié)果分析。

預(yù)鍛是活塞產(chǎn)品工藝設(shè)計成敗的關(guān)鍵，保證預(yù)鍛充滿良好的同時鍛打力還不能超出鍛造設(shè)備的額定噸位。圖9所示狀態(tài)均為設(shè)計厚度(N+1)mm時的模擬情況，預(yù)鍛充滿良好，預(yù)鍛工位的鍛打力在額定的設(shè)備噸位以內(nèi)。

⑶終鍛模擬結(jié)果分析。

終鍛工序是保證客戶最終產(chǎn)品的工位，此工位的模擬結(jié)果直接影響現(xiàn)場實際生產(chǎn)時終鍛件的質(zhì)量，模擬參數(shù)的設(shè)置很關(guān)鍵，模擬步驟設(shè)置的越細結(jié)果越接近實際生產(chǎn)情況。

終鍛件充滿情況如圖10所示，由模擬結(jié)果可以看出，在厚度尺寸+1mm情況下，終鍛件充滿良好，這樣設(shè)置模擬的目的是保證實際生產(chǎn)過程中鍛件充滿，為充滿預(yù)留一定的保險系數(shù)，同時也為實際生產(chǎn)原材料下料提供數(shù)據(jù)參考。

總結(jié)

鍛造鋼活塞是發(fā)動機活塞將來發(fā)展的趨勢，也是主流生產(chǎn)工藝，一汽鍛造公司沒有該類產(chǎn)品的開發(fā)經(jīng)驗，在公司的大力支持下，項目團隊臨危受命，經(jīng)過兩年多的技術(shù)攻關(guān)實現(xiàn)活塞產(chǎn)品大批量生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量獲得客戶的充分認可。開發(fā)過程中獲得專利一項，技術(shù)創(chuàng)新二十余項，后續(xù)針對未關(guān)閉的項目加大研發(fā)力度，突破鍛鋼活塞技術(shù)、工藝難題，為公司提質(zhì)、降本、增效提供強有力的支持。