鋼質(zhì)活塞閉式鍛造模具中頂料裝置設(shè)計(jì)與應(yīng)用

文/宋加兵，張道峰，黃昌文·安徽安簧機(jī)械股份有限公司

根據(jù)鋼質(zhì)活塞的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將活塞銷座凸臺(tái)面尺寸仿形，作為頂料裝置中頂桿端面設(shè)計(jì)尺寸，增加了頂桿與鍛件頂出位置接觸面積；同時(shí)優(yōu)選頂桿材料、優(yōu)化頂出裝置參數(shù)設(shè)計(jì)，以提升頂桿強(qiáng)度和頂出力。

鍛鋼活塞因強(qiáng)度高、耐熱性能好，在內(nèi)燃機(jī)實(shí)現(xiàn)高壓縮比、提高燃燒效率、減少尾氣排放、提高使用壽命等方面優(yōu)于傳統(tǒng)鋁合金活塞，是重型商用車內(nèi)燃機(jī)活塞發(fā)展方向。鍛鋼活塞一般具有型腔深、拔模角小、壁厚薄等特點(diǎn)，鍛件脫模力大。頂料裝置的可靠與否，直接影響模鍛件成形質(zhì)量，是自動(dòng)化鍛造線能否順暢生產(chǎn)的關(guān)鍵。

圖1 所示為一款活塞鍛件產(chǎn)品，產(chǎn)品直徑為φ102mm，高度尺寸H1為65mm，其中產(chǎn)品最薄處L1為4.8mm，深度H2為37mm。該產(chǎn)品采用閉式鍛造工藝，尺寸和形狀精度要求高，鍛造成形困難、脫模力大。只有活塞銷座凸臺(tái)可以設(shè)置為頂料位置，布置空間有限，如圖2 所示。

圖1 鍛件圖

圖2 實(shí)體模形

常規(guī)設(shè)計(jì)的頂料裝置存在不足

在樣件開發(fā)階段，圖2 所示位置布置兩根常規(guī)圓柱形頂桿，頂桿有效直徑為φ8mm，下模及頂料裝置設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 常規(guī)頂桿與下模裝配示意圖

方案一：頂桿材質(zhì)為60Si2Mn，熱處理硬度為50 ～55HRC。試生產(chǎn)中，出現(xiàn)頂桿頻繁斷裂，無法正常生產(chǎn)。

方案二：頂桿材質(zhì)調(diào)整為5CrMnMo，熱處理硬度為38 ～42HRC，試生產(chǎn)中，又出現(xiàn)頂桿早期彎曲失效如圖4 所示，無法正常生產(chǎn)。

方案三：頂桿采用硬質(zhì)合金材料，制造成本高，試驗(yàn)效果仍不理想。

失效原因分析

通過上述三種方案分析，我們發(fā)現(xiàn)前期彎曲或斷裂，頂料機(jī)構(gòu)失效、頂桿失效的主要原因有以下4 點(diǎn)：

圖4 頂桿彎曲

⑴相對(duì)于傳統(tǒng)開式鍛造，采用閉式鍛造時(shí)，活塞鍛件全部在下模型腔內(nèi)成形，鍛件坯料和下模的接觸面積增加，頂料脫模力成倍增加。

⑵閉式鍛造，鍛件沒有飛邊，上、下模配合導(dǎo)向面也位于下模，頂桿必須將鍛件頂出到下模橋面以上，鍛件才能脫模取出。這樣頂料機(jī)構(gòu)的頂出行程比開式鍛造增加40mm 左右，頂桿有效長(zhǎng)度也得相應(yīng)加長(zhǎng)，而圓柱頂桿直徑只能做到φ8mm，強(qiáng)度不足，剛性下降。

⑶鍛造過程中，頂桿裝在模具內(nèi)部，常規(guī)材料不能適應(yīng)高溫、高壓的惡劣的工作環(huán)境。

⑷頂桿和模之間配合間隙過大，鍛造中氧化皮、潤(rùn)滑劑等擠入間隙內(nèi)，造成頂桿運(yùn)動(dòng)受阻。

仿形結(jié)構(gòu)頂桿及模具設(shè)計(jì)

前期的試驗(yàn)結(jié)果和原因分析表明，常規(guī)圓柱頂桿不能滿足活塞閉式鍛造生產(chǎn)的要求，必須從下模及頂桿結(jié)構(gòu)上創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

⑴將活塞鍛件銷座凸臺(tái)頂端R 角調(diào)整為尖角如圖5 所示。

⑵活塞下模，沿著銷座凸臺(tái)外尖角位置，設(shè)計(jì)制作兩個(gè)帶臺(tái)階的頂桿孔如圖6 所示，頂桿孔的上部分設(shè)置為導(dǎo)向段，其長(zhǎng)度L2為20mm。下部分設(shè)計(jì)為尺寸較大的臺(tái)階孔，保證仿形組合頂桿上下運(yùn)動(dòng)。

⑶按銷座凸臺(tái)面尺寸，仿形設(shè)計(jì)制作頂桿如圖7 所示。仿形設(shè)計(jì)的頂桿由頂桿本體和端頭兩部分組成，頂桿本體選用H13 材質(zhì)，熱處理硬度為48 ～52HRC；端頭部分材質(zhì)采用45#，熱處理硬度為28 ～32HRC；頂桿本體和端頭采用S7/h6 過盈配合，牢固可靠。

圖5 凸臺(tái)優(yōu)化后實(shí)體模形

圖6 活塞下模

⑷頂桿本體與下模頂桿孔之間為間隙配合，圖6、圖7 中H1/h1配合間隙為0.5mm，W1/w1配合間隙為0.3mm。保證鍛造中頂桿沿著頂桿孔導(dǎo)向段自由滑動(dòng)，模具型腔內(nèi)殘留的石墨乳、氧化皮能夠從間隙流走。

新設(shè)計(jì)的仿形組合頂桿具有頂料可靠、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。端頭截面大于頂桿本體截面，起到限位作用，防止頂桿隨著鍛件脫離下模型腔。仿形頂桿截面積是常規(guī)圓柱頂桿的4 倍以上，剛性加強(qiáng)，同等頂出壓力頂桿承受的工作應(yīng)力大大減小，頂桿壽命顯著提高。仿形頂桿自重增加，頂料行程結(jié)束后，有利于頂桿準(zhǔn)時(shí)回落到初始工作位置。

圖7 仿形頂桿

圖8 活塞鍛件

結(jié)束語(yǔ)

新設(shè)計(jì)、制作的仿形組合頂桿與鍛造模具在我公司應(yīng)用于機(jī)器人鍛造線，連續(xù)鍛造活塞(圖8)5000件以上，沒有出現(xiàn)卡模及頂桿彎曲、斷裂等情況。仿形組合頂桿適應(yīng)高溫高壓，脫料可靠、變形量小、使用壽命長(zhǎng)，適用于閉式、自動(dòng)化鍛造。