[發(fā)明專利]鋼質(zhì)內(nèi)冷活塞的制造方法及其模具

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610395218.0
• 申請日: 2016-06-06
• 公開（公告）號: CN106077574B
• 公開（公告）日: 2018-02-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 邢書明;李少乾
• 申請（專利權(quán)）人: 北京交通大學(xué)
• 主分類號: B22D18/02
• 分類號: B22D18/02
• 代理公司: 北京市商泰律師事務(wù)所11255
• 代理人: 黃曉軍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及活塞制造技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種鋼質(zhì)內(nèi)冷活塞的制造方法及其模具。

背景技術(shù)

鋼質(zhì)內(nèi)冷活塞是用于重型卡車發(fā)動機(jī)上的關(guān)鍵零件，其特點(diǎn)有兩點(diǎn)，一是材質(zhì)為中碳熱作模具鋼，二是在燃燒室周邊設(shè)置有一個環(huán)形通道，其內(nèi)充滿冷卻介質(zhì)進(jìn)行冷卻。它比鋁合金活塞具有更高的使用壽命，是活塞發(fā)展的方向之一。目前鋼質(zhì)內(nèi)冷活塞的毛坯成形技術(shù)包括鑄造、整體模鍛和鍛焊三種，其中鑄造鋼質(zhì)內(nèi)冷活塞的毛坯形狀和尺寸最接近成品，是采用砂芯或鹽芯形成內(nèi)冷腔，采用砂型鑄造方法成形。為了得到致密的活塞，生產(chǎn)過程必須使用大的冒口來補(bǔ)縮，導(dǎo)致材料利用率不足60％；整體模鍛鋼質(zhì)內(nèi)冷活塞的毛坯與成品形狀差距很大，沒有內(nèi)冷腔、銷孔、頂部與裙部之間的環(huán)溝等結(jié)構(gòu)，需要后續(xù)機(jī)械加工來獲得這些結(jié)構(gòu)，材料利用率不足40％；鍛焊結(jié)合的鋼質(zhì)內(nèi)冷活塞毛坯由裙部和頭部兩部分組成，其分界線位于內(nèi)冷腔的最大截面處。頭部毛坯是一個圓餅形鍛件，需要利用切削加工方法加工出內(nèi)冷腔；裙部毛坯形狀與活塞整體末端的裙部相似，采用去除加工方法將頭部和裙部的分界面加工為平面后，采用摩擦壓力焊或激光焊將頭部和裙部焊接在一起，得到整體毛坯。這種毛坯在內(nèi)冷腔內(nèi)會殘留焊接形成的飛邊，其高度一般在3-5mm范圍，這種飛邊的存在會在一定程度上降低冷卻效果。此外，這種毛坯的制造方法工序多，成本高，焊縫附近的熱影響區(qū)容易出現(xiàn)微裂紋，直接影響使用壽命。

現(xiàn)有技術(shù)中，利用液態(tài)模鍛或擠壓鑄造技術(shù)制備鋁合金活塞的報(bào)道和實(shí)例很多。《特種鑄造及有色合金》第31卷第11期公開了程先軍研究190型Al-Si活塞擠壓鑄造(即液態(tài)模鍛)的工藝方法，該方法的技術(shù)特征包括：裙部在上，上部加壓，底部二次加壓，上部加壓壓力為71.3～79.2MPa，底部加壓壓力15.2-16.2MPa，加壓開始時間不超過60s.加壓速度為0.004～0.006m/s，保壓時間為110～130秒。其步驟是：將定量(12.6+0.5)kg的鋁液(溫度為700—710℃)倒入金屬外模中，扒渣后，油壓機(jī)上缸下行，芯模對鋁液進(jìn)行加壓，上缸壓力為18—20MPa。壓力到最大時開始計(jì)時，10～15s后底缸開始加壓，其壓力為20.22MPa，保壓時間為110～130s。保壓完畢后即可拆模取出活塞鑄件。為了防止模溫過高，當(dāng)上缸壓力到18～20MPa時開始通水冷卻至脫模為止。該方法的缺點(diǎn)為：這種成形方法加壓過程壓力損失大，難以獲得致密活塞，無法用于鋼質(zhì)內(nèi)冷活塞。

現(xiàn)有技術(shù)還公開了景德鎮(zhèn)景航鍛鑄有限責(zé)任公司江志明進(jìn)行鋁合金活塞的液態(tài)模鍛的文章，該方法的技術(shù)特征包括：采用凹凸模結(jié)構(gòu)的直接液鍛方式。凹模下半部設(shè)計(jì)脫模軸銷式，脫模方式采用軸銷退件機(jī)構(gòu)，并采用斜鍥以實(shí)現(xiàn)軸銷的鎖緊和退出：設(shè)置反壓裝置，通過凹模底部20個矩形彈簧，將凹模托起7～8mm，當(dāng)壓制時，凸模和凹模一起下壓，壓縮彈簧，使凹模和凹模鑲塊產(chǎn)生相對移動，對制件厚壁處實(shí)現(xiàn)有效反壓作用，達(dá)到改善組織的目的；采用頂桿直接頂頂塊使液鍛件和凹模脫離。其中反壓彈簧很關(guān)鍵，采用的是專用大彈力彈簧，20個彈簧均勻的圓周分布在下模座上。其它所有模具結(jié)構(gòu)都要通過強(qiáng)度校核和安裝定位方式的確定，從而保證模具的正常工作。該方法的缺點(diǎn)為：這種模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且無法解決壓力損耗大和厚壁處存在縮松缺陷的問題；

申請?zhí)枮?00320106374.9的實(shí)用新型公開了一種復(fù)雜鋁合金組合式液態(tài)模鍛的模具，它有底模安裝在下模座上，下模座安裝在下模墊板上，下模座上面有凹模中圈，凹模中圈內(nèi)側(cè)有組合凹模、外側(cè)有凹模外圈，凹模外圈與下墊板固定在一起，底模下面有頂桿，組合凹模上面有與其對應(yīng)的上壓頭，上壓頭上部通過固定圈固定在上墊板上，組合凹模、凹模中圈、凹模外圈上有銷芯通過接頭與銷芯油缸上的活塞桿連接在一起。這種模具只適用于鋁合金活塞。

內(nèi)燃機(jī)2006年第3期公開了鋁活塞擠壓鑄造(即液態(tài)模鍛)的技術(shù)現(xiàn)狀，但未涉及鋼質(zhì)活塞的液態(tài)模鍛。《特種鑄造及有色合金》2005年擠壓鑄造、半固態(tài)加工學(xué)術(shù)年會專刊公開了李敏華等壓縮機(jī)鋁活塞擠壓鑄造的模具，雖然采用了斜導(dǎo)柱結(jié)構(gòu)，但其作用僅是用來抽出銷孔芯。

上述相關(guān)文獻(xiàn)和專利，均只是針對鋁合金活塞進(jìn)行的，未見針對鋼質(zhì)液態(tài)模鍛的報(bào)道，也未見有內(nèi)冷腔活塞液態(tài)模鍛的報(bào)道。鋼質(zhì)內(nèi)冷活塞液態(tài)模鍛有很多技術(shù)難點(diǎn)：如模具結(jié)構(gòu)和材料如何適應(yīng)鋼液的高溫作用，內(nèi)冷腔如何形成，如何確保燃燒室的組織性能優(yōu)越，如何高效率地制備等。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種鋼質(zhì)內(nèi)冷活塞的制造方法及其模具，以實(shí)現(xiàn)有效地制作液態(tài)模鍛的鋼質(zhì)內(nèi)冷活塞。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案。