商用车活塞模具阻力墙结构研究

一汽锻造生产的某型号钢活塞因为缸径大、型腔深、锻件不易成形等特点，故需采用阻力墙结构保证锻件充满。在批量生产过程中，针对活塞的阻力墙结构进行了深入的研究，解决了阻力墙变形、阻力墙开裂、锻件充不满、出模困难等多项工艺难题，将在本文中逐一进行介绍。

背景

随着国家对环保治理力度的加大，对发动机排放标准要求日趋严格，为满足发动机排放标准的要求，锻造钢活塞已经成为商用车发动机活塞主流生产工艺，发展前景十分广阔。由于市场化竞争日益激烈，如果不能在短期内提质降本，将会在活塞市场竞争过程中逐步失去先机。然而我司此型号商用车活塞在开发前期废品率居高不下，其中裙部充不满为主要的废品类型，充不满废品率高达3%。公司生产活塞采用的是开式锻造，为解决锻件充不满的问题，技术人员从模具设计方面入手，设计了环形阻力墙模具结构，通过对三种阻力墙方案的分析和模拟并在生产过程中持续优化、改进，极大降低了废品率。

生产过程中终锻模具平均寿命不稳定，在生产1000 件左右沿裙部出现开裂趋势，连续生产后，随着模具慢慢失效，最终开裂，模具成本居高不下，频繁换模，班产效率低，对公司提质、降本攻占活塞市场造成了很大的阻碍，因此提高活塞终锻模具寿命及降低活塞裙部充不满废品率是现阶段急需解决的问题。

模具阻力墙研究过程

方案一

(1)措施

将阻力墙凸起部分设计在模具下模，并将阻力墙的坡度变小，可以有效地增加阻力墙的强度，阻力墙结构见图1。对此结构进行模具应力分析，如图2 所示，发现下模型腔一侧相同的位置米塞斯等效应力已经降低到了600MPa 左右，相比模具无阻力墙时的1800MPa 降低了67%，而阻力墙一侧米塞斯等效应力已经降低到200MPa，桥部无开裂风险，锻件充满较好。从模拟分析结果看，此方案的阻力墙是十分有效的，因此通过项目组评审后，确定订购模具进行生产验证。

(1)措施

实际生产中的使用效果并不理想，这种结构虽然在一定程度上解决了裙部充满及桥部开裂问题，但同时增加了粘模现象出现的频次(图3)。

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在实际生产过程中，方案一锻件粘模现象彻底解决，但由于阻力墙边缘强度不够，模具桥部开裂报废的情况时有发生(图6)，制约批量生产。运用Forge模拟软件对模具进行应力分析，对比模具开裂位置，发现下模型腔一侧米塞斯等效应力达到2000MPa(图7)，由此可以确定阻力墙开裂位置受力过大是造成模具失效的主要原因。

方案二

(2)问题

为了便于锻件出模，将阻力墙凹入部分设计在模具的下模，同时将阻力墙尽量靠近模具型腔，目的是更有利于活塞裙部充满，阻力墙结构见图4。通过模具应力分析，模具的应力在1600MPa 左右，较方案一偏高一些，但是低于1800MPa，如图5 所示。

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(2)问题

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方案三

总结方案一与方案二各自的优缺点，将阻力墙凹入的结构设计在下模，优化桥的宽度，将桥宽增加至10mm，在保证锻件充满的同时增加阻力墙的斜度至110°以增加强度，阻力墙结构见图8。对此结构进行模具应力分析，发现下模型腔一侧相同的位置米塞斯等效应力为930MPa 左右，而阻力墙一侧米塞斯等效应力为650MPa 左右，相较于方案一有所增加，但是与最初结构相比应力降低了35%左右，如图9 所示。

(1)措施

这种阻力墙结构设计导致飞边包在阻力墙上，同时受限于设备顶出结构及行程的影响，锻件在各工位转移时夹取困难，粘模现象频发，且在粘模发生后，由于飞边包在阻力墙上，取件十分困难。

(2)问题

通过以上三种方案的实施和对比，最终确定采用方案三，现已经实现该型号钢活塞的大批量生产。经过验证这种结构也存在一定的不足，从方案三的模拟中可以看出四角位置红色比较明显，米塞斯等效应力达到了930MPa，应力较大(图10)。在模具寿命的后期存在四角开裂的风险，实际生产中这种不足也得了到验证，模具四角有开裂趋势，锻件对应四角多料，后续需要打磨处理，如图11 所示。

结束语

综上所述，通过对活塞模具阻力墙结构的研究，实现了此种型号活塞的量产，终锻模具平均寿命稳定在2300 件左右，对于较大缸径的商用车活塞产品来讲已经取得了预期的效果，生产效率大幅提升，锻件一致性好，模具成本大幅度降低，产品质量获得客户的高度认可，实现质量客户零抱怨。

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