鍛造鋼活塞常見問題解決方案

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

鍛造鋼活塞是我公司全新的鍛件產(chǎn)品，初期開發(fā)時模具壽命低，鍛件充不滿，鍛件折紋，活塞裙部變形，在生產(chǎn)過程中易發(fā)生很多工藝、質(zhì)量問題，綜合廢品率高達12%左右，嚴重制約批量生產(chǎn)。為此公司專門成立項目團隊，攻堅克難，查找變化點，把握問題產(chǎn)生的真因，并圓滿完成項目制定的指標。

目前新開發(fā)的活塞產(chǎn)品有十二種，其中批量生產(chǎn)的有兩種，其他品種處于樣件階段。我們在產(chǎn)品開發(fā)及樣件階段積極配合客戶進行臺架試驗，實現(xiàn)與客戶產(chǎn)品同步開發(fā)，同步設(shè)計，加快了項目的整體進度。本文主要針對鍛造活塞在鍛造過程及熱處理過程常見問題及解決方法進行闡述，希望對大家有借鑒作用。

活塞鍛造過程常見問題

鍛件充滿情況

⑴發(fā)生問題。

在實際生產(chǎn)過程中，活塞裙部是難充滿的位置，鍛件充不滿造成廢品率較高，所以對于活塞裙部有效高度超過90mm 的產(chǎn)品，如果模具設(shè)計不合理，鍛件充滿更加困難，裙部未充滿情況如圖1 所示。

⑵解決方案。

活塞產(chǎn)品裙部深且窄，針對此產(chǎn)品的特點，采用環(huán)形阻力墻結(jié)構(gòu)及增大氣孔直徑到φ4mm，同時將位置內(nèi)移至裙部中心（圖2）有利于活塞裙部充滿，在實際生產(chǎn)過程中也得到了驗證。

活塞模具壽命

⑴發(fā)生問題。

模具成本高，但壽命極低，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，模具開裂實物如圖3 所示。

⑵解決方案。

經(jīng)過多輪的應(yīng)力分析、工藝驗證，將模具采用分塊設(shè)計，模具壽命大幅度提升，分塊后模具的外套及內(nèi)芯實物如圖4 所示。

模具頂桿

⑴發(fā)生問題。

采用圓截面頂桿，直徑偏小，強度不夠，使用過程中發(fā)生彎曲現(xiàn)象如圖5 所示。

⑵解決方案。

增大頂桿強度的同時為了增加與鍛件的接觸面積將圓截面頂桿優(yōu)化為橢圓截面，如圖6 所示。

鍛件折紋

⑴發(fā)生問題。

活塞底部燃燒室端面折紋，有時一批次活塞折紋比例高達80%～90%，后續(xù)需要打磨，影響生產(chǎn)效率，折紋如圖7 所示。

⑵解決方案。

降低電加熱到主機的落差，同時將電加熱到主機部分的滑道重新設(shè)計，將坯料與導(dǎo)軌接觸部分的焊點打磨光滑過渡，同時在滑道的最底端增加緩沖裝置，避免坯料端頭磕碰。

活塞熱處理常見問題

目前鍛造鋼活塞原材料主要有兩種，一種為調(diào)質(zhì)鋼材料，熱處理工藝為調(diào)質(zhì)處理（淬火+回火）；另一種為非調(diào)質(zhì)鋼材料，后續(xù)采用控溫冷卻工藝滿足活塞內(nèi)在機械性能及金相要求，從活塞原材料發(fā)展的趨勢來看，非調(diào)質(zhì)鋼材料工藝穩(wěn)定，同時消除了活塞裙部變形等缺陷，是將來活塞產(chǎn)品理想的原材料選擇。

調(diào)質(zhì)鋼活塞

活塞在發(fā)動機比較復(fù)雜的工況下工作，對產(chǎn)品的機械性能、金相等內(nèi)在質(zhì)量要求特別高，熱處理過程中如內(nèi)在質(zhì)量無法保證，將直接影響發(fā)動機的性能，從而影響整車的使用。調(diào)質(zhì)鋼活塞內(nèi)在質(zhì)量要求如表1 所示。

活塞產(chǎn)品對截面硬度有很高的要求，同時硬度取點位置也要嚴格按照標準執(zhí)行，如圖8 所示。

由于活塞產(chǎn)品要求各部位淬火質(zhì)量一致性高，而活塞截面尺寸變化劇烈，42CrMo4 材料淬透性高，鍛件淬裂傾向大，初期工藝調(diào)試過程中淬裂比例高達35%，經(jīng)過項目團隊多輪評審、驗證，最終確定調(diào)質(zhì)鋼活塞熱處理工藝，見表2。

非調(diào)質(zhì)鋼活塞

由于調(diào)質(zhì)鋼原材料的活塞存在淬火裂紋、熱處理過程變形、熱處理成本高等問題，非調(diào)質(zhì)鋼材料有逐漸替代調(diào)質(zhì)鋼材料的趨勢，非調(diào)質(zhì)鋼活塞內(nèi)在質(zhì)量要求如表3 所示。

表1 調(diào)質(zhì)鋼活塞內(nèi)在質(zhì)量要求

表2 調(diào)質(zhì)鋼活塞熱處理工藝參數(shù)

表3 非調(diào)質(zhì)鋼活塞內(nèi)在質(zhì)量要求

與調(diào)質(zhì)鋼活塞產(chǎn)品類似，非調(diào)質(zhì)鋼活塞對截面硬度也有很高的要求，同時硬度取點位置也要嚴格按照標準執(zhí)行，截面硬度的均勻性要優(yōu)于調(diào)質(zhì)鋼活塞，如圖9 所示。

非調(diào)質(zhì)鋼控溫冷卻工藝的關(guān)鍵點在于晶粒度及塑性的控制，按照客戶要求：晶粒度≥5 級，按照要求制定出非調(diào)質(zhì)鋼活塞控溫冷卻曲線，如圖10 所示。

總結(jié)

經(jīng)過項目團隊的共同攻關(guān)，創(chuàng)新模具結(jié)構(gòu)設(shè)計，活塞產(chǎn)品的模具壽命大幅提升，終鍛模具平均壽命穩(wěn)定在2200 件，年節(jié)約模具成本約127.2 萬元，材料利用率提升3 個百分點，優(yōu)化熱處理工藝，截面硬度趨于一致，實現(xiàn)活塞產(chǎn)品大批量生產(chǎn)。同時實現(xiàn)精益化生產(chǎn)，在行業(yè)面臨產(chǎn)品降價、材料漲價、銷量不確定性等經(jīng)營壓力下，通過節(jié)流降本開源增收增利，為公司完成全年績效指標打下堅實基礎(chǔ)，項目榮獲中國第一汽車集團有限公司科學(xué)技術(shù)進步二等獎。