關(guān)于調(diào)質(zhì)鋼活塞產(chǎn)品鍛造工藝及后續(xù)處理

文/王建軍·一汽鍛造（吉林）有限公司

關(guān)于調(diào)質(zhì)鋼活塞產(chǎn)品鍛造工藝及后續(xù)處理

文/王建軍·一汽鍛造（吉林）有限公司

背景介紹

節(jié)能和環(huán)保是影響發(fā)動機發(fā)展的兩個因素，常規(guī)的鋁合金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。眾所周知，18MPa爆發(fā)壓力是臨界值，鋼活塞比鋁活塞有著更加卓越的性能：擁有20%的二氧化碳減排能力，降低產(chǎn)品高度進而降低發(fā)動機高度，減輕曲軸的傳動力等。

整體鍛鋼結(jié)構(gòu)活塞成為理想選擇，鍛鋼結(jié)構(gòu)活塞主要用于發(fā)動機爆發(fā)壓力超200bar，升功率超過32kW/L的高強化發(fā)動機上。與普通發(fā)動機相比較，高強化發(fā)動機可提高功率30%以上，降低油耗10%，通常用于載重汽車、工程機械及發(fā)電機組等。

目前，國外鍛鋼結(jié)構(gòu)活塞已得到較多應(yīng)用。馬勒、輝門和科爾本施密特等國際著名活塞公司已具備批量生產(chǎn)鍛鋼結(jié)構(gòu)活塞的能力，年市場需求量達到1，000萬只左右。國內(nèi)主要發(fā)動機制造企業(yè)也在加緊對使用鍛鋼結(jié)構(gòu)活塞的高性能發(fā)動機進行研制和產(chǎn)業(yè)化，預(yù)計市場年需求量約為100萬只左右，未來鍛鋼結(jié)構(gòu)活塞的市場前景將更加廣闊。

活塞是發(fā)動機上的關(guān)鍵零件，長期在交變高溫、高壓及沖擊載荷條件下工作，性能直接影響到整個發(fā)動機的性能和安全系數(shù)。現(xiàn)在大多數(shù)活塞為鑄造生產(chǎn)，重力鑄造和壓力鑄造均會產(chǎn)生縮孔、縮松、氣孔等缺陷。即便是采用擠壓鑄造，也避免不了氧化物夾雜和小氣孔產(chǎn)生。采用鍛造鋼活塞，晶粒可以達到細化且成流線分布，材料內(nèi)部缺陷也會消除，組織更致密，不僅力學(xué)性能有所提高，且導(dǎo)熱和抗高壓能力也明顯增強。

鋼活塞鍛件結(jié)構(gòu)分析

某系列鍛造鋼活塞是重卡發(fā)動機上的重要零部件，如圖1所示，要求壽命長、耐磨、耐熱，具有較高的強度和綜合性能。活塞材料：42CrMo4，鍛件質(zhì)量：7kg，產(chǎn)品外形為圓周對稱形狀，內(nèi)部深腔幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸精度要求高，內(nèi)腔均為非加工表面，鍛件存在薄壁，活塞裙部最薄位置約6mm，薄壁高度較高約90mm，鍛造難度較大，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

鍛造成形工藝

通過工藝方案優(yōu)化，最終確定工藝流程如下：

圖1 某系列鍛造鋼活塞

圖2 某系列鍛造鋼活塞結(jié)構(gòu)圖

圓盤鋸下料—500kW加熱—3150t鍛壓機（鐓粗—預(yù)鍛—終鍛）—315t切邊壓力機（切邊）—熱處理—粗加工—刻字—防銹—包裝—發(fā)交。

對其工藝有如下要求。

⑴此活塞材料鍛造溫度要求在1180～1220℃，按照客戶要求，過熱坯料必須直接報廢處理，低溫料只允許重復(fù)加熱1次，否則會影響鍛件內(nèi)部組織及性能。

⑵鍛造過程中各工位之間鍛件要專人傳遞，盡最大程度減少對活塞鍛件表面的磕碰，磕碰嚴(yán)重會導(dǎo)致后續(xù)粗加工定位不精確，對稱度及頂厚尺寸超差，造成批量廢品。

鍛造模擬分析

為保證此新產(chǎn)品活塞一次開發(fā)成功，設(shè)計過程中采用FORGE軟件進行模擬。

模擬參數(shù)

模擬過程分解：前處理—運算—后處理。

⑴ 前處理：1） CAD數(shù)模載入。2）坯料網(wǎng)格劃分。3）坯料定位。4）參數(shù)設(shè)置。

⑵ 運算：通過服務(wù)器進行運算。

⑶后處理：查看模擬結(jié)果、接觸情況、折紋、充不滿、金屬流動、流線、模具應(yīng)力分析、鍛打力等。

過程中的注意點

⑴不考慮坯料彈性變形且各向同性，模具定義為剛性，不發(fā)生變形和破壞。

⑵選擇模擬軟件自帶材料庫中的42CrMo4材料。

⑶坯料初始溫度設(shè)定為1200℃，模具溫度設(shè)定為250℃，鍛件、空氣及模具間均有熱交換。

⑷在模擬鐓粗工序前需要進行3DCooling模擬，目的：模擬出坯料從電加熱爐出來到鐓粗工序過程中溫度降低的情況（如不進行此操作會影響鍛打力和充滿情況）。

⑸高度存儲步長設(shè)置為1mm，細化模擬步驟，可以更加清晰準(zhǔn)確的顯示模擬結(jié)果，如折紋、充不滿、金屬在鍛打過程中流動趨勢等。

⑹坯料先進行自動面網(wǎng)格，然后再進行體網(wǎng)格。

⑺體網(wǎng)格時原材料網(wǎng)格設(shè)置為4～5mm3，具體需要根據(jù)服務(wù)器節(jié)點數(shù)量確定。如果服務(wù)器節(jié)點較多可以適當(dāng)減小網(wǎng)格體積到3～4mm3，網(wǎng)格越小，模擬結(jié)果越準(zhǔn)確。

⑻定義鍛壓機：在預(yù)鍛或者終鍛的上模定義鍛壓機，選擇機械壓力機TKF3，旋轉(zhuǎn)速度30rpm，R/L=0.15，曲柄半徑150mm。

⑼熱交換文件設(shè)置：鋼+高溫（中等）。

⑽模具摩擦文件設(shè)置：水+石墨。

⑾所有模具的預(yù)熱溫度設(shè)置：250℃。

⑿各工序間鍛件與下模設(shè)置接觸時必須采用重力調(diào)節(jié)，如不采用重力調(diào)節(jié)，可能導(dǎo)致鍛件與模具接觸數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，定位不可靠，影響最終的模擬結(jié)果。

⒀流線和心部疏松組織模擬。FORGE中流線和心部疏松組織的模擬類似，首先必須在前處理中進行設(shè)置。

模擬結(jié)果與分析

鐓粗：坯料高度由187mm鐓粗至90mm，如圖3所示。

圖3 鐓粗工步

預(yù)鍛：充滿、折紋、鍛打力情況如圖4所示（圖示狀態(tài)為設(shè)計厚度加1mm狀態(tài)充滿情況）。

圖4 預(yù)鍛工步

終鍛：充滿、折紋、鍛打力情況如圖5所示（圖示狀態(tài)為設(shè)計厚度加1mm狀態(tài)充滿情況）。

圖5 終鍛工步

模擬流線情況及模擬時充不滿的溫度場情況如圖6、圖7所示。

圖6 模擬流線情況

圖7 模擬時充不滿的溫度場情況

工藝驗證（生產(chǎn)試制）

⑴在實際生產(chǎn)過程中，模具設(shè)計的排氣孔有利于活塞裙部充滿。

⑵增加模具環(huán)形阻力墻有利于活塞裙部充滿。

⑶提高模具壽命。

1）初期模具結(jié)構(gòu)為整體式結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)500件左右模具開裂。

2）采用模具分塊設(shè)計。效果：模具壽命由原來的500件提高到2000件，模具成本大幅度降低，單件模具成本由原來的25元/件降至10元/件。

⑷熱處理

1）淬火爐各參數(shù)設(shè)定見表1。

2）回火各參數(shù)設(shè)定見表2。

通過調(diào)整淬火爐攪拌器噴嘴位置及功率（電機由0.75kW加大至7.5kW），降低淬火溫度和冷卻速度，活塞淬火裂紋比例由初期的15%降至3%。

拋丸清理

活塞類產(chǎn)品清理需要采用專用拋丸吊具，內(nèi)腔及外壁很容易殘留氧化皮。客戶對活塞表面質(zhì)量要求非常嚴(yán)格，如在最終百檢過程中漏檢，會引起客戶強烈抱怨。

表1 淬火爐參數(shù)設(shè)定

表2 回火參數(shù)

探傷

由于活塞產(chǎn)品特殊的結(jié)構(gòu)，熱處理過程中很容易產(chǎn)生淬火裂紋，特別是活塞裙薄壁處，通過調(diào)整熱處理工藝參數(shù)可以降低活塞淬火裂紋比例。淬火裂紋如圖8所示。

圖8 淬火裂紋

機加工

機加工過程主要包含銑凸臺、鉆主銷孔、車外圓三個步驟，如圖9所示。

圖9 機加工

刻字

活塞類產(chǎn)品較特殊，鍛件需要進行刻字，刻字信息主要是為了鍛件的可追溯性，因為活塞產(chǎn)品是發(fā)動機重要的零部件，需要有模具代碼、熱處理爐號、原材料爐批號、客戶標(biāo)識等可追溯性標(biāo)識。刻字采用普通氣動、針式刻字機。

防銹

采用以下兩種方案。

⑴生產(chǎn)初期采用VCI防銹袋、VCI淋膜防銹紙以及硅膠干燥劑。防銹效果如圖10所示。

圖10 防銹效果圖

⑵采用揮發(fā)性防銹油。揮發(fā)性防銹油俗稱快干防銹油，是由環(huán)保性溶劑油和防銹油添加劑調(diào)和而成。主要好處是大部分油膜被揮發(fā)、不油膩、不粘手、不會污染產(chǎn)品。不足之處是防銹時間短，一般在半年到一年時間。

包裝

采用兩種包裝方案。

⑴采用木箱。初期通過與客戶進行溝通，采用如下包裝方案：1）包裝箱；2）防銹袋；3）隔板；4）防銹紙；5）干燥劑。

⑵采用鐵箱。由于木箱的成本較高，同時考慮環(huán)保因素，后期將木制包裝箱改為鐵箱。

結(jié)束語

活塞鍛件產(chǎn)品在最初生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了許多問題，如模具壽命低、充不滿、折紋、鍛件表面缺陷、裙部變形、熱處理淬火裂紋、粗加工后對稱度及頂厚尺寸超差等問題。針對出現(xiàn)的問題，通過項目組不斷評審、持續(xù)改進、勇于創(chuàng)新，攻克了一個又一個難題。目前該活塞產(chǎn)品已累計供貨超10萬件，經(jīng)過兩年多的努力，鍛件質(zhì)量及穩(wěn)定性得到客戶充分認可，并且被評為A級供應(yīng)商。此鍛造工藝將廣泛應(yīng)用于后續(xù)開發(fā)類似活塞鍛件產(chǎn)品中，最終相關(guān)設(shè)計、文件逐漸形成標(biāo)準(zhǔn)化。

王建軍，工程師，技術(shù)質(zhì)保部主管。主要從事商用車及乘用車變速箱齒輪、法蘭軸、活塞等鍛件產(chǎn)品模具設(shè)計、工藝流程優(yōu)化、持續(xù)改進、質(zhì)量提升等工作，主持完成集團活塞鍛件質(zhì)量提升項目，獲得一汽集團 “提質(zhì)、降本”明星稱號。