關(guān)于鋼活塞鍛造定位及檢測方式的研究

背景介紹

隨著近些年國內(nèi)卡車市場的進一步擴大，卡車市場銷售份額逐年增加，柴油發(fā)動機強度增加，發(fā)動機行業(yè)面臨著前所未有的挑戰(zhàn)，對活塞及其他核心零部件提出了更高的要求。鋼活塞多用于大功率發(fā)動機，被廣泛應(yīng)用到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸和國防建設(shè)事業(yè)上，需求量在日益增加。

為了進一步提高活塞強度，發(fā)動機爆發(fā)壓力增加后燃油可以實現(xiàn)充分燃燒，鋼活塞逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋁合金活塞，滿足國家對國五、國六排放標準的要求。本文主要針對活塞產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、工藝定位方式及檢測方式等方面經(jīng)行了研究。

鋼活塞鍛件結(jié)構(gòu)分析

目前根據(jù)活塞燃燒室形狀可將活塞分為兩種結(jié)構(gòu)。

⑴燃燒室定位凸臺結(jié)構(gòu)（圖1）：采用裙朝上的模具結(jié)構(gòu)進行生產(chǎn)，底部燃燒室采用定位凸臺。

⑵燃燒室減余量結(jié)構(gòu)（圖2）：采用裙部朝下的模具結(jié)構(gòu)進行生產(chǎn)，頂部燃燒室減余量。

圖1 燃燒室定位凸臺結(jié)構(gòu)

圖2 燃燒室減余量結(jié)構(gòu)

鋼活塞模具結(jié)構(gòu)分析

裙部朝上結(jié)構(gòu)

模具裙部朝上時結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

此種模具結(jié)構(gòu)具有的優(yōu)、缺點如下。

優(yōu)點：模具型槽較深一側(cè)在上模，氧化皮等雜質(zhì)易排出；鍛件表面無氧化坑、疲勞紋等缺陷，表面質(zhì)量較好。

缺點：此種模具結(jié)構(gòu)鍛件燃燒室存在定位凸臺結(jié)構(gòu)，燃燒室加工余量比較大，加工工時長，刀具費用較高。

裙部朝下結(jié)構(gòu)

模具裙部朝下時結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

此種模具結(jié)構(gòu)具有的優(yōu)、缺點如下。

優(yōu)點：鍛件燃燒室余量減少，節(jié)約加工工時及刀具費用。

缺點：型槽較深一側(cè)在下模，生產(chǎn)過程中容易堆積氧化皮等雜質(zhì)，因鍛件表面質(zhì)量不合格造成的廢品率較高。

圖3 模具裙部朝上時結(jié)構(gòu)圖

圖4 模具裙部朝下時結(jié)構(gòu)圖

鋼活塞模擬對比分析

裙部朝上結(jié)構(gòu)

圖5為模具裙部朝上時鋼活塞模擬分析圖。

圖5 模具裙部朝上時鋼活塞模擬分析圖

通過模擬分析：因為有定位凸臺結(jié)構(gòu)，采用此種模具生產(chǎn)時坯料在各工位間便于定位，同時便于操作者生產(chǎn)操作，班產(chǎn)效率較高。由于鍛件表面質(zhì)量造成的廢品率較低，此種模具結(jié)構(gòu)應(yīng)用比較廣泛。

圖6 模具裙部朝下時鋼活塞模擬分析圖

裙部朝下結(jié)構(gòu)

圖6為模具裙部朝下時鋼活塞模擬分析圖。

此種模具結(jié)構(gòu)采用預(yù)鍛內(nèi)芯（坯料到預(yù)鍛工位）及終鍛內(nèi)芯（預(yù)鍛到終鍛工位）定位。通過模擬可以確保穩(wěn)定定位，可實現(xiàn)活塞燃燒室余量減少，降低機加工成本。但是模具深型槽為下模，生產(chǎn)過程中氧化皮不易排出，表面質(zhì)量不好，造成廢品率較高。

鋼活塞減余量鍛件結(jié)構(gòu)對比分析

活塞燃燒室減余量結(jié)構(gòu)截面如圖7所示,如采用裙部朝上結(jié)構(gòu)方式生產(chǎn)，鍛件結(jié)構(gòu)為紅色+綠色合并部分；如采用裙部朝下結(jié)構(gòu)方式生產(chǎn)，鍛件結(jié)構(gòu)僅為紅色部分。客戶最初要求我們提供的鍛件結(jié)構(gòu)為紅色+綠色合并部分，在模具設(shè)計時需要考慮定位凸臺，以便保證在鐓粗、預(yù)鍛、終鍛三工序過程中能夠平穩(wěn)定位并且能夠順利脫模，但是機加工余量較大，刀具成本較高。經(jīng)過與客戶充分溝通，優(yōu)化了產(chǎn)品燃燒室結(jié)構(gòu)（將綠色部分去除），采用內(nèi)腔定位。經(jīng)過工藝不斷優(yōu)化，通過多輪模擬驗證順利提交樣件，經(jīng)過五個月裝機試驗后，樣件通過，得到了客戶充分認可。

圖7 活塞燃燒室減余量結(jié)構(gòu)截面

兩種結(jié)構(gòu)都需要定位，只是定位的方式不同。但是鍛件采用燃燒室減余量結(jié)構(gòu)（僅紅色部分），機加工余量可大大減少，局部可減少8～10mm余量。

模擬結(jié)果對比分析

針對兩種不同的模具結(jié)構(gòu)，采用相同的模擬條件，即坯料下料規(guī)格φ85mm×180mm，模具閉合高度在262mm時充滿情況如圖8、圖9所示。

由模擬結(jié)果可以看出采用裙部朝上模具結(jié)構(gòu)，模具封閉高度在262mm時，鍛件裙部及頂桿凸臺位置均未充滿，導(dǎo)致材料利用率偏低。

從模擬結(jié)果可以看出采用裙部朝下的模具結(jié)構(gòu)，模具封閉高度同樣是在262mm時，鍛件裙部及頂桿凸臺位置均完全充滿，充滿效果要好于裙部朝上模具結(jié)構(gòu)，材料利用率較前一種模具結(jié)構(gòu)提高2%～4%。

鍛件檢測

隨著客戶對鍛件產(chǎn)品的一致性要求提高，普通的三坐標檢測已經(jīng)遠遠不能滿足客戶的要求。鍛件尺寸檢測方式可分為：手工劃線、三坐標、掃描。

圖8 裙部朝上時模擬結(jié)果

圖9 裙部朝下時模擬結(jié)果

⑴鍛件結(jié)構(gòu)形狀簡單、復(fù)雜系數(shù)低（S1～S2）的產(chǎn)品，如齒輪、二代輪轂、連桿、轉(zhuǎn)向臂、殼類、凸緣類產(chǎn)品可以采用人工劃線或者三坐標進行檢測。此時主要對關(guān)鍵尺寸進行測量，例如裝配尺寸、特殊特性尺寸等。

⑵鍛件結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，復(fù)雜系數(shù)高（S3～S4）的產(chǎn)品，如曲軸、活塞、轉(zhuǎn)向節(jié)、脫鉤、法蘭軸等產(chǎn)品，根據(jù)客戶要求，需要提供掃描檢測報告。

以鍛造鋼活塞產(chǎn)品為例，闡述鍛件掃描過程（圖10）。

1)將活塞鍛件產(chǎn)品拋丸，去除氧化皮；

2)采用3D掃描儀對鍛件進行掃描，保存為.stl格式；

3)將掃描后的結(jié)果與建模過程中的理想鍛件數(shù)模對比；

4)經(jīng)過軟件自動擬合后形成對比掃描報告。

鍛件通過掃描的方式進行檢測，效率及檢測數(shù)據(jù)的可靠性大幅提高，形狀、結(jié)構(gòu)相對比較復(fù)雜的鍛件在10～15min便可完成檢測，可快速指導(dǎo)車間進行生產(chǎn)。

圖10 鍛件掃描過程

結(jié)束語

經(jīng)過模具結(jié)構(gòu)及鍛造工藝的不斷優(yōu)化、改進，兩種結(jié)構(gòu)的鋼活塞產(chǎn)品都實現(xiàn)了大批量生產(chǎn)。通過對此項目攻關(guān)，提高了公司技術(shù)研發(fā)能力及質(zhì)量保證能力，增強了為客戶提供高端、核心鍛件產(chǎn)品的信心。同時對檢測方法及設(shè)備的升級，大幅提升了檢測效率。第一時間出具檢測結(jié)果用于指導(dǎo)生產(chǎn)，生產(chǎn)效率同步提升，給公司帶來良好經(jīng)濟效益。