关于钢活塞锻造定位及检测方式的研究

背景介绍

随着近些年国内卡车市场的进一步扩大，卡车市场销售份额逐年增加，柴油发动机强度增加，发动机行业面临着前所未有的挑战，对活塞及其他核心零部件提出了更高的要求。钢活塞多用于大功率发动机，被广泛应用到工业、农业、交通运输和国防建设事业上，需求量在日益增加。

为了进一步提高活塞强度，发动机爆发压力增加后燃油可以实现充分燃烧，钢活塞逐渐代替传统铝合金活塞，满足国家对国五、国六排放标准的要求。本文主要针对活塞产品的结构、工艺定位方式及检测方式等方面经行了研究。

钢活塞锻件结构分析

目前根据活塞燃烧室形状可将活塞分为两种结构。

⑴燃烧室定位凸台结构（图1）：采用裙朝上的模具结构进行生产，底部燃烧室采用定位凸台。

⑵燃烧室减余量结构（图2）：采用裙部朝下的模具结构进行生产，顶部燃烧室减余量。

图1 燃烧室定位凸台结构

图2 燃烧室减余量结构

钢活塞模具结构分析

裙部朝上结构

模具裙部朝上时结构图如图3所示。

此种模具结构具有的优、缺点如下。

优点：模具型槽较深一侧在上模，氧化皮等杂质易排出；锻件表面无氧化坑、疲劳纹等缺陷，表面质量较好。

缺点：此种模具结构锻件燃烧室存在定位凸台结构，燃烧室加工余量比较大，加工工时长，刀具费用较高。

裙部朝下结构

模具裙部朝下时结构图如图4所示。

此种模具结构具有的优、缺点如下。

优点：锻件燃烧室余量减少，节约加工工时及刀具费用。

缺点：型槽较深一侧在下模，生产过程中容易堆积氧化皮等杂质，因锻件表面质量不合格造成的废品率较高。

图3 模具裙部朝上时结构图

图4 模具裙部朝下时结构图

钢活塞模拟对比分析

裙部朝上结构

图5为模具裙部朝上时钢活塞模拟分析图。

图5 模具裙部朝上时钢活塞模拟分析图

通过模拟分析：因为有定位凸台结构，采用此种模具生产时坯料在各工位间便于定位，同时便于操作者生产操作，班产效率较高。由于锻件表面质量造成的废品率较低，此种模具结构应用比较广泛。

图6 模具裙部朝下时钢活塞模拟分析图

裙部朝下结构

图6为模具裙部朝下时钢活塞模拟分析图。

此种模具结构采用预锻内芯（坯料到预锻工位）及终锻内芯（预锻到终锻工位）定位。通过模拟可以确保稳定定位，可实现活塞燃烧室余量减少，降低机加工成本。但是模具深型槽为下模，生产过程中氧化皮不易排出，表面质量不好，造成废品率较高。

钢活塞减余量锻件结构对比分析

活塞燃烧室减余量结构截面如图7所示,如采用裙部朝上结构方式生产，锻件结构为红色+绿色合并部分；如采用裙部朝下结构方式生产，锻件结构仅为红色部分。客户最初要求我们提供的锻件结构为红色+绿色合并部分，在模具设计时需要考虑定位凸台，以便保证在镦粗、预锻、终锻三工序过程中能够平稳定位并且能够顺利脱模，但是机加工余量较大，刀具成本较高。经过与客户充分沟通，优化了产品燃烧室结构（将绿色部分去除），采用内腔定位。经过工艺不断优化，通过多轮模拟验证顺利提交样件，经过五个月装机试验后，样件通过，得到了客户充分认可。

图7 活塞燃烧室减余量结构截面

两种结构都需要定位，只是定位的方式不同。但是锻件采用燃烧室减余量结构（仅红色部分），机加工余量可大大减少，局部可减少8～10mm余量。

模拟结果对比分析

针对两种不同的模具结构，采用相同的模拟条件，即坯料下料规格φ85mm×180mm，模具闭合高度在262mm时充满情况如图8、图9所示。

由模拟结果可以看出采用裙部朝上模具结构，模具封闭高度在262mm时，锻件裙部及顶杆凸台位置均未充满，导致材料利用率偏低。

从模拟结果可以看出采用裙部朝下的模具结构，模具封闭高度同样是在262mm时，锻件裙部及顶杆凸台位置均完全充满，充满效果要好于裙部朝上模具结构，材料利用率较前一种模具结构提高2%～4%。

锻件检测

随着客户对锻件产品的一致性要求提高，普通的三坐标检测已经远远不能满足客户的要求。锻件尺寸检测方式可分为：手工划线、三坐标、扫描。

图8 裙部朝上时模拟结果

图9 裙部朝下时模拟结果

⑴锻件结构形状简单、复杂系数低（S1～S2）的产品，如齿轮、二代轮毂、连杆、转向臂、壳类、凸缘类产品可以采用人工划线或者三坐标进行检测。此时主要对关键尺寸进行测量，例如装配尺寸、特殊特性尺寸等。

⑵锻件结构形状复杂，复杂系数高（S3～S4）的产品，如曲轴、活塞、转向节、脱钩、法兰轴等产品，根据客户要求，需要提供扫描检测报告。

以锻造钢活塞产品为例，阐述锻件扫描过程（图10）。

1)将活塞锻件产品抛丸，去除氧化皮；

2)采用3D扫描仪对锻件进行扫描，保存为.stl格式；

3)将扫描后的结果与建模过程中的理想锻件数模对比；

4)经过软件自动拟合后形成对比扫描报告。

锻件通过扫描的方式进行检测，效率及检测数据的可靠性大幅提高，形状、结构相对比较复杂的锻件在10～15min便可完成检测，可快速指导车间进行生产。

图10 锻件扫描过程

结束语

经过模具结构及锻造工艺的不断优化、改进，两种结构的钢活塞产品都实现了大批量生产。通过对此项目攻关，提高了公司技术研发能力及质量保证能力，增强了为客户提供高端、核心锻件产品的信心。同时对检测方法及设备的升级，大幅提升了检测效率。第一时间出具检测结果用于指导生产，生产效率同步提升，给公司带来良好经济效益。