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锻造钢活塞是我公司全新的锻件产品，初期开发时模具寿命低，锻件充不满，锻件折纹，活塞裙部变形，在生产过程中易发生很多工艺、质量问题，综合废品率高达12% 左右，严重制约批量生产。为此公司专门成立项目团队，攻坚克难，查找变化点，把握问题产生的真因，并圆满完成项目制定的指标。 目前新开发的活塞产品有十二种，其中批量生产的有两种，其他品种处于样件阶段。我们在产品开发及样件阶段积极配合客户进行台架试验，实现与客户产品同步开发，同步设计，加快了项目的整体进度。本文主要针对锻造活塞在锻造过程及热处理过程常见问题及解决方法进行阐述，希望对大家有借鉴作用。 活塞锻造过程常见问题 锻件充满情况
⑴发生问题。
在实际生产过程中，活塞裙部是难充满的位置，锻件充不满造成废品率较高，所以对于活塞裙部有效高度超过90mm 的产品，如果模具设计不合理，锻件充满更加困难，裙部未充满情况如图1 所示。 图1 裙部未充满
⑵解决方案。 活塞产品裙部深且窄，针对此产品的特点，采用环形阻力墙结构及增大气孔直径到φ 4mm，同时将位置内移至裙部中心（图2）有利于活塞裙部充满，在实际生产过程中也得到了验证。 图2 锻件充不满解决方案 活塞模具寿命 ⑴发生问题。 模具成本高，但寿命极低，初期模具结构为整体式结构，生产500 件左右模具开裂，模具开裂实物如图3 所示。 图3 整体模具开裂
⑵解决方案。 经过多轮的应力分析、工艺验证，将模具采用分块设计，模具寿命大幅度提升，分块后模具的外套及内芯实物如图4 所示。 图4 模具分块设计 模具顶杆 ⑴发生问题。 采用圆截面顶杆，直径偏小，强度不够，使用过程中发生弯曲现象如图5 所示。 图5 圆截面顶杆发生弯曲
⑵解决方案。 增大顶杆强度的同时为了增加与锻件的接触面积将圆截面顶杆优化为椭圆截面，如图6 所示。 图6 椭圆截面顶杆
锻件折纹 ⑴发生问题。 活塞底部燃烧室端面折纹，有时一批次活塞折纹比例高达80% ～ 90%，后续需要打磨，影响生产效率，折纹如图7 所示。 图7 底部折纹 ⑵解决方案。 降低电加热到主机的落差，同时将电加热到主机部分的滑道重新设计，将坯料与导轨接触部分的焊点打磨光滑过渡，同时在滑道的最底端增加缓冲装置，避免坯料端头磕碰。 活塞热处理常见问题 目前锻造钢活塞原材料主要有两种，一种为调质钢材料，热处理工艺为调质处理（淬火+ 回火）；另一种为非调质钢材料，后续采用控温冷却工艺满足活塞内在机械性能及金相要求，从活塞原材料发展的趋势来看，非调质钢材料工艺稳定，同时消除了活塞裙部变形等缺陷，是将来活塞产品理想的原材料选择。 调质钢活塞 活塞在发动机比较复杂的工况下工作，对产品的机械性能、金相等内在质量要求特别高，热处理过程中如内在质量无法保证，将直接影响发动机的性能，从而影响整车的使用。调质钢活塞内在质量要求如表1 所示。 表1 调质钢活塞内在质量要求 活塞产品对截面硬度有很高的要求，同时硬度取点位置也要严格按照标准执行，如图8 所示。由于活塞产品要求各部位淬火质量一致性高，而活塞截面尺寸变化剧烈，42CrMo4 材料淬透性高，锻件淬裂倾向大，初期工艺调试过程中淬裂比例高达35%，经过项目团队多轮评审、验证，最终确定调质钢活塞热处理工艺，见表2。 图8 硬度取点 表2 调质钢活塞热处理工艺参数 非调质钢活塞 由于调质钢原材料的活塞存在淬火裂纹、热处理过程变形、热处理成本高等问题，非调质钢材料有逐渐替代调质钢材料的趋势，非调质钢活塞内在质量要求如表3 所示。 表3 非调质钢活塞内在质量要求 与调质钢活塞产品类似，非调质钢活塞对截面硬度也有很高的要求，同时硬度取点位置也要严格按照标准执行，截面硬度的均匀性要优于调质钢活塞，如图9 所示。 图9 硬度取点 非调质钢控温冷却工艺的关键点在于晶粒度及塑性的控制，按照客户要求：晶粒度≥ 5 级，按照要求制定出非调质钢活塞控温冷却曲线，如图10 所示。 图10 控温冷却曲线 总结 经过项目团队的共同攻关，创新模具结构设计，活塞产品的模具寿命大幅提升，终锻模具平均寿命稳定在2200 件，年节约模具成本约127.2 万元，材料利用率提升3 个百分点，优化热处理工艺，截面硬度趋于一致，实现活塞产品大批量生产。同时实现精益化生产，在行业面临产品降价、材料涨价、销量不确定性等经营压力下，通过节流降本开源增收增利，为公司完成全年绩效指标打下坚实基础，项目荣获中国第一汽车集团有限公司科学技术进步二等奖。 —— 来源：《锻造与冲压》2020年第1期
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发表于 2020-1-31 14:23:46
