文/金廣山，許勝，任瑞俊，周擁軍，汪威·內(nèi)蒙古一機集團(tuán)富成鍛造有限責(zé)任公司

鍛鋼活塞對提高內(nèi)燃機的功率和實現(xiàn)節(jié)能減排具有重要的作用，傳統(tǒng)的鋁合金活塞已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在社會發(fā)展的使用要求，內(nèi)燃機最大爆發(fā)壓力和升功率的提高往往會大幅度惡化活塞的工作狀況，降低活塞的安全可靠性。隨著國內(nèi)發(fā)動機政策的不斷調(diào)整，對發(fā)動機的排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了調(diào)整，發(fā)動機會增加強化指數(shù)，以滿足高強化發(fā)動機的需求，使用鍛鋼活塞是一種有效的解決方案，為了適應(yīng)市場的變化，緊跟市場的需求，我公司展開了鍛鋼活塞精密成形工藝的研究。

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征及其成形難點分析

本次開發(fā)的鍛造鋼制活塞(圖1)，是用于重型柴油機發(fā)動機的關(guān)鍵零件。該鍛件屬于深孔薄壁型結(jié)構(gòu)，形狀和結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，產(chǎn)品出模斜度1°～2°，屬于復(fù)雜類鍛件。此產(chǎn)品的尺寸精度要求較高，公差范圍小，內(nèi)腔多為非加工面，屬于精密鍛件。針對該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點，技術(shù)人員分析出生產(chǎn)制造過程中存在以下主要技術(shù)難點。

⑴鍛件形狀復(fù)雜，成形困難。鋼制活塞屬于精密鍛件，內(nèi)腔深、裙部薄。裙部的深度為60mm，壁厚為9mm，裙部的深度和厚度比值為6.7，不易成形，屬于復(fù)雜形鍛件，由于活塞裙部薄，熱能損失大，溫度下降明顯，金屬流動性變差，對裙部的充滿更加不利。

⑵外觀質(zhì)量要求高。從活塞頂毛坯圖紙看出，只加工兩個銷孔和活塞裙的頭部，其余部位均為非加工面，不允許有氧化皮坑，表面拋丸質(zhì)量高。

⑶脫模困難。由于圖紙要求拔模斜度小，裙部拔模斜度僅為1°～2°；活塞裙部成形過程中金屬流動劇烈，坯料和模具表面的摩擦劇烈；活塞裙處溫降快，由于熱脹冷縮會增加脫模力；這些原因?qū)е洛懠撃＠щy。

⑷模具制造困難。由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，反映到模具上模膛結(jié)構(gòu)就比較復(fù)雜，加工困難，并且加工效率低，加工周期長，是影響生產(chǎn)的主要因素。

仿真模擬過程分析

結(jié)合我公司設(shè)備情況，確定了活塞的鍛造工藝方案為鐓粗→打扁→預(yù)鍛→終鍛。模具設(shè)計主要對模具的結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)過程進(jìn)行研究，通過有限元分析軟件Deform 進(jìn)行模擬參考，由于模擬和實際生產(chǎn)還存在一定的差距，生產(chǎn)過程中還是會產(chǎn)生很多的問題，需要通過實際試制跟蹤進(jìn)行完善。

我公司很早便引入了Deform-3D 模擬仿真軟件，隨著對此軟件掌握程度的不斷提高，可以發(fā)現(xiàn)成形過程的一些問題，并提早進(jìn)行優(yōu)化，大幅度提高產(chǎn)品一次試制的成功率，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。

鍛造工藝模擬相關(guān)參數(shù)見表1，圖2、圖3、圖4分別為鐓粗→打扁、預(yù)鍛和終鍛的工序模擬效果圖。

表1 模擬相關(guān)參數(shù)

在仿真模擬過程中發(fā)現(xiàn)兩個可能對產(chǎn)品產(chǎn)生缺陷的點見圖5，對優(yōu)化模具設(shè)計方案起到很大幫助。

模具優(yōu)化方案

⑴排氣孔的應(yīng)用。通過模擬分析發(fā)現(xiàn)，在鍛件裙頂?shù)乃膫€尖點充滿困難，考慮到在生產(chǎn)過程中此部位又容易憋氣，通過討論分析，確定在模具最難充滿處設(shè)計四個φ6mm 的排氣孔。

⑵優(yōu)化上模沖頭。通過模擬，上模沖頭處存在產(chǎn)生折疊的趨勢，分析原因為沖孔深度深，由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，在金屬流動時總會產(chǎn)生缺口，缺口的大小隨著深度的增加而增加，成正比的關(guān)系，最終確定先按圖紙要求設(shè)計，若生產(chǎn)中產(chǎn)生折疊，再通過降低沖頭高度來解決這個問題，并通過機械加工來滿足圖紙形狀尺寸的要求。

工藝流程制定及試制

活塞的整個生產(chǎn)工藝流程：下料→加熱(中頻爐)→鐓粗→打扁→預(yù)鍛→終鍛(2500t 螺旋壓力機)→切邊(630t 壓力機)→探傷→調(diào)質(zhì)處理→表面清理→鍛件終檢。

⑴下料。根據(jù)鍛件圖尺寸，建立三維模型，通過實體造型及有限元模擬分析得出下料規(guī)格尺寸，采用高速帶鋸進(jìn)行鋸切下料，長度公差為±1mm。

⑵加熱。42CrMoA 鍛造適宜溫度為1180 ～1220℃，工藝定制為中頻爐加熱，加熱節(jié)拍(40 ～50 s)/件，采用紅外測溫儀進(jìn)行溫度抽檢并做好記錄，避免造成坯料過熱、過燒。

⑶鍛制。在2500t 螺旋壓力機上生產(chǎn)，鍛造工序為鐓粗、打扁、預(yù)鍛、終鍛四步。每次鍛造完成后，需先用風(fēng)管對模膛進(jìn)行徹底清理，然后再用石墨進(jìn)行模具潤滑冷卻，防止因氧化物堆積造成鍛件局部充型不完全。轉(zhuǎn)移過程要輕拿輕放，防止磕碰，影響鍛件表面質(zhì)量。

⑷切邊。采用630t 壓力機一工步完成切邊過程。

⑸探傷。公司根據(jù)實際設(shè)備情況，使用磁粉探傷機對鍛件進(jìn)行100%探傷。

⑹調(diào)質(zhì)處理及終檢。根據(jù)技術(shù)協(xié)議要求的性能指標(biāo)，技術(shù)人員確定熱處理工藝方案，產(chǎn)品熱處理后按照雙方會簽的技術(shù)協(xié)議進(jìn)行理化檢驗。

經(jīng)過工藝試制驗證，工藝參數(shù)及工藝流程方案合理可行，鍛件（圖6）的尺寸及性能均滿足技術(shù)要求，加強型鋼制活塞新產(chǎn)品研制成功。

結(jié)束語

我公司通過加強型鋼制活塞精密成形工藝的研究，不僅積累了一種新類型鍛件的生產(chǎn)經(jīng)驗，而且從中應(yīng)用并掌握了高精度模具制造、有限元模擬技術(shù)等一系列技術(shù)手段，為以后同類鍛件的生產(chǎn)奠定良好的基礎(chǔ)。