V28 -1活塞模锻件精化设计与锻压工艺改进

2016-05-07 10:39:49 安装信息网

孙超

(哈尔滨理工大学材料科学与工程学院，黑龙江哈尔滨150080)

摘要：V28—1铝合金活塞模锻件是火车内燃机活塞的坯料，是东北轻合金有限责任公司近些年开发的主要产品之一。针对原来锻件加工余量大，金属利用率低，成品率低，生产工序复杂，产品成本高等问题，开展了锻件精化设计与锻压生产工艺改进的研究，取得了成功，经生产实践表明有良好的经济效益。

关键词：4A11铝合金活塞锻件；精化设计；工艺改进；优质操作

中图分类号：TG319 文献标识码：A 文章编号：1007 - 7235( 2015) 09 - 0054 - 06

Improvement of the forging process and refined design of V28-1 piston die forging

SUN Chao

( School of Material Science and Engineering,Harbin University of Science and Technology,Harbin 150080,Cluna)

Abstract: As one of the main products developed by Northeast Light Alloy Co. ,Ltd. in re-cent years,the V28-1 piston die forging of aluminum alloy has been used as the train pistonblank of the internal combustion engine. Successful research has been carried on forging re-fined design and forging process improvement to solve the problems of big finishing allow-ance ,low metal utilization ratio,low finished product rate,complex production technique,andhigh product cost. The production practices prove the technique is good and economic effectcan be achieved.

Key words: piston die forging of4All aluminum alloy; refined design; process improve-

ment, high-quality operation

随着我国铁路运输业的发展，发动机活塞做为列车内燃机的关键部件市场需求量较大。4A11铝合金活塞锻件( V28)是东北轻合金有限责任公司近些年开发的主要产品之一，如何生产出优质、低价的产品是开拓市场的关键。为此对原V28活塞模锻件采取精化设计和改进锻压生产工艺等技术措施，解决了该锻件加工余量大、金属利用率低、成品率和经济效益不高等问题。经大量生产实践证明，实施精化设计与改进锻压工艺获得了成功，提高了经济效益。

1 锻件精化设计

锻件的形状、尺寸及精度都是由锻件的模具设计来实现的。原V28模锻件单个质量是50.8kg，粗加工后单个质量是37 kg，机械加工后的零件单个质量19.8 kg。金属的利用率仅为39%，因此对锻件进行精化设计，以减小加工余量是有实际效果的重要措施。

1.1模具设计

1)为了提高金属利用率、降低产品成本，对终压模具进行精化设计，使活塞锻件内腔表面由原来的加工表面全部改变为非加工表面，这将会节省大量金属，也减少了机械加工的工作量。外加工表面由原来单面加工5 mm改为3 mm，从而节约了金属。

2)采取终压模上设计出圆导壁形式，提高了上下模的对中性，保证了终压不错移，提高了锻件精度，使产品在市场上更具有竞争力。

3)在终压模上设计顶料器。原先V28模锻件没有顶料器，锻件出模相当困难，常常将锻件撬废；有时怕粘下模就往下模型腔内多抹润滑剂，这样易造成下模中锻件不成形；如果锻件粘到上模上就更加难撬下来，常常用大锤往下打，常把锻件打废；如果上下型腔内都多抹润滑剂，势必造成上下型腔中锻件都不易成形，尤其上型腔螺栓孔处的棱角就更不易成形，而造成废品。有了顶料器后，下模可少抹油锻件也不粘上模，从而对上模适量润滑，既保证锻件成形和表面质量，又不担心锻件脱模；减轻了工人的劳动强度，缩短了生产周期，大大地节约工时。

4)减小出模角和圆角半径。由于在终压模上设计了顶料器，使锻件容易出模，从而减小了模锻件的出模角度，由原来的70改为1 0。并减小锻件的圆角半径，提高了锻件的精度，节约了金属材料。

5)在模具结构上，终压上模采用烘装组合式结构，既提高了上模凸头部的强度，减少模压过程中的磨损，同时提高了模具寿命，节省模具钢块，简化了制模工艺过程。模头采用耐高温工具钢4Cr5 MoVSi,既提高了强度、耐磨性和表面光洁度，又防止模具变形（如图1）。

1.2设计顶料机构

顶料机构的作用是使锻件从模膛中顶出，它适用于闭式模锻和模膛较深、形状复杂、出模斜度小、起料困难的开式模锻。

1.2.1 对终压模的顶杆结构进行改进

终压模采用整体形顶杆（见图1），即顶杆与锻件接触部分做成与锻件底部完全吻合且大小一样的顶杆。克服了局部形顶杆由于与模具接触面积小，顶杆与模具接触处易变形而造成顶杆下沉及包死顶杆，致使锻件底部多肉及产生毛刺的缺点。

另一方面，由于锻件底部的圆弧处在模压的过程中受压产生弹性变形，使得顶杆与模内腔紧密配合而不产生间隙，圆弧阻止金属流向缝隙处，缓解此处受力，从而锻件底部不产生毛刺，使锻件底部整洁美观。

由于锻件底部直径较小，导致受力面积较小，致使顶杆仍有下沉和抱死顶杆的可能。针对这一问题，对顶杆结构进行改进。首先将顶料杆的长杆直径由咖90 mm改为咖80 mm，从而增大顶杆底部与模具的受力面积，使顶杆不易下沉或模具底部也不易变形而抱死顶杆。同时水压机顶杆由咖100 mm改为qb80 mm，使其与之匹配。取消咖135 mm x135 mm处结构改为Ф85mm孔，降低模块高度135 mm。既节约模具钢块又增强顶杆处模具的受力面积，相对增加此处强度，防止此处压塌、变形或抱死顶杆。改进后消除了原来的一些不利因素的影响，从批量生产锻件情况看效果很好。

1.2.2对50 MN水压机的顶料机构进行改进

由于改进了终压模的顶杆结构，原水压机顶料机构已不适应改进后模具顶料之用，因此，对50 MN模锻水压机顶料机构做相应的改进。改进前与改进后顶料机构对比如图2所示。

从图2中可以看出，顶出杆直径由原来咖100mm改为Ф80 mm，压环内径由原来咖102 mm改为咖82 mm，杆长由原来500 mm改为550 mm，顶出杆材料由原来45#钢改为5CrMnMo钢。

经过上述改进，顶杆不但适用于此模具，同时也适用于带顶料机构的所有模具，且锻件顶出高度由原来的100 mm增加至150 mm，大大地方便锻件出模，又由于采用SCrMnMo工具钢，其热处理后硬度可达45 HRC～50 HRC，从而保证顶杆的强度和使用寿命。

1.3新增设圆胎毛料模

活塞锻件以开式模锻压方法生产，在模压变形过程中金属流动主要以反挤成形的方式来完成。根据这一特点，设计出锥台形的圆胎毛料模（参见图3和图4）。其要点是依据成品锻件所需的金属总量，以1.1倍的体积系数，制成与终压下模形状尺寸基本吻合的实心圆胎模。这样既保证总体金属量够用，又起到合理分配金属的目的，使终压变形过程更加平稳，又易于成形，可减少锻件错移、不成形和折叠等缺陷。

在没有毛料模时锻件直接终压，在锻件螺栓孔处折叠严重，常常成批报废。有了毛料模后锻件成品率达100%，也减少了锻压变形过程中模具的磨损。

1.4设计圆胎模顶料机构和改进30 MN模锻水压机顶料机构

V28-1圆胎模顶料机构与V28-1终压模顶料机构的结构与功能相同。

由于设计了V28—1圆胎模的顶料机构，原水压机顶料机构已不适应此模具顶料之用，因此，对30MN模锻水压机顶料机构做相应的改进。改进前与改进后顶料机构对比如图5所示。从图中可以看出，顶出杆直径由原来咖90 mm改为Ф80 mm，压环内径由原来咖92 mm改为咖82 mm，杆长由原来370mm改为470 mm，顶出杆材料由原来45#钢改为SCrMnMo钢。

经过上述改进，顶杆不但适用于此模具，同时也适用于带顶料机构的所有模具，且锻件顶出高度由原来的50 mm增加至150 mm，大大地方便锻件出模，又由于采用SCrMnMo工具钢，其热处理后硬度可达45 HRC—50 HRC，从而保证顶杆的强度和使用寿命。

2锻压工艺的改进

原V28活塞模锻件采用挤压棒为毛料，规格为Ф220 mm x470+5 mm。锻压工艺：首先毛料经过锻造，再经二次终压而成。毛料投入量大，生产工艺过程复杂，成品率低，成本高。

锻压工艺改进：毛料尺寸改为Ф220 mm×440+5 mm，每个毛料减重3 kg。取消了原工艺中的毛料锻造工序和一次终压工序。毛料经一次加热在两台锻压设备上连续完成圆坯毛料锻压和终压两道成型工序锻压出成品，实现了“双机作业一火压成”的先进工艺。

上述工艺改进中，V28-1锻件比原V28锻件减少了一次终压工序，并实现一火压成，比原工艺减少了两次加热、一次模压、一次切边、一次洗修工序，既降低了能耗又缩短了生产周期，提高了生产效率。在随后的锻件粗加工过程中，可使每件锻件质量减少5 kg。

在锻压过程中，在保证锻件完全成型的条件下，严格控制锻件的欠压量（即高向的尺寸偏差）。这样又可使交付的每件锻件质量减少1kg。

经过以上改进，锻件减轻了质量，简化了生产过程，原有的锻件表面缺陷——不成形、错移、折叠等大为减少。由于锻件质量变轻，在淬火过程中增强了淬透性，使锻件的力学性能稳定地提高。

3 生产过程优质操作要点

3.1挤压锻造毛料

1)毛料为Ф220 mm 4A11铝合金棒材，采用Ф482 mm xl 050 mm的铸锭单孔反挤压而成。在铸锭装炉前将其表面的灰尘、铝屑等杂物清理干净，加热到380CC—450qC、保温5 h~6 h，控制挤压速度以防止挤压棒材出现起皮、成层和裂纹。在挤压到剩最后Im时要慢速挤压，以减小缩尾长度。

2)毛料检查：①首先检查挤压毛料是否有起皮、气泡、裂纹等缺陷，发现有上述质量缺陷及时反映给有关人员鉴定其能否使用。②低倍检查，通过了上述检查的挤压棒材，每根从尾部切掉500 mm后切30+5 mm的低倍试片，在小圆锯上进行切取以减小毛料端面锯切切纹和锯口宽度，在低倍试片和棒材端面打上合金号、批号、根号，将低倍试片送中心实验室做低倍检查。③高倍组织检查，按每熔次切取一个高倍试样送中心实验室检查高倍组织中的初晶硅分布情况，初晶硅最大线尺寸不大于0.08 mm。

3.2锻压

1)切锻压毛料：当低倍和高倍组织检查合格后锯切锻压毛料，规格Ф220 mm×440+3 mm，在每个切成的毛料上打上合金号、批号，并将毛料上的锯切毛刺和铝屑清除干净。

2)装炉、加热：装炉前检查员对照任务单和随行卡片检查毛料规格，清除掉毛料上的铝屑及脏物，将毛料在料盘上摆放整齐。毛料在合用炉内加热，加热温度450℃~ 4800C、保温2h。加热过程中每半小时测一次温。

3)锻压：实行双机作业一火压成，即在1号机毛压后转到2号机终压，模具温度为380qC~420℃，模压前将模膛清理干净。

1号机按上定位键防止模具串动，下模为V28-1圆胎模，上模为薄平砧，润滑剂采用沙锭油，不允许加石墨，如有毛料掉到地上要立即夹起放入模膛镦压，以防热量散失过快，模压后产生大晶粒。2号机按上定位键防止模具串动，风动装卡夹住模具，用高压风将模腔内的杂物及石墨吹干净。润滑剂配比为20%~300/0石墨+700/0~800/0锭子油，混合搅拌均匀后对上下模型腔充分润滑。

模压成形的圆台毛坯用锻钳夹住，利用1号机与2号机之间的索道尽快送到2号机终压模内进行模压。终压时进行两次润滑两次上压，一次上压后抬车放气后再上压，以确保成形。模具一定要压靠，保证欠压量合格一火压成。严格执行首件检查制，把好成形、欠压、温度关。

3.3切边和蚀洗

在带锯床上切除锻件毛边，切后毛边的残留量小于或等于2 mm，然后将锻件横向摆放在酸洗筐内，不允许立放和倒扣着放，以防液体不能在锻件内腔流进流出，以致蚀洗不干净。碱洗后要充分水洗，控制好腐蚀时间不宜过长，防止过腐蚀。

3,4热处理

1)淬火前检查与修伤：将蚀洗后的锻件摆放在地面铺有铝垫盘的修伤场地，进行严格的淬火前检查，发现有折叠起皮要彻底修净。对需要挽救的锻件修伤处应扩展并圆滑过渡，以防在挽救模压时产生折叠。对淬火前检查合格的锻件要打上对号后轻拿轻放到料筐内，吊到南跨料场。

2)切淬火试料、车皮：在小圆锯上按批次和淬火炉次切试料，每批切低倍试片厚30+5 mm。每炉要切试料一块，并在试料上打批号、合金以防混料，并将切好的试料送到待淬火料场放试料处摆放好，以便找料装炉。在C630车床上对锻件车皮，车皮后尺寸为Ф256±1mm，分三次走刀，前两次粗车，后一次精车，用专用样板检查外圆尺寸和壁厚偏差，其壁厚偏差为±0.5 mm，加工精度为Ra3.2。

3)热处理：将V28-1锻件倒放在淬火料筐内，将试料放在下筐的上面。淬火温度为521+4℃、保温180 min，淬火水温30℃~40℃，淬火转移时间小于或等于15 s，淬火料筐在水中往复升降15次以上，然后在水中停留15 min后吊出水面。淬火后在1MN油压矫直机上进行矫直，专用胎具和样板，单面间隙小于或等于0.7 mm，矫直合格的锻件要打好矫直号。时效温度165+5℃、保温10 h，总加热时间10h—12 h，装时效炉时料架摆放要有利环风的畅通，使之加热均匀、快速。

4锻件组织性能检测

4.1取样

高倍、低倍、硬度、纵向拉伸试样的取样位置和方向如图6所示。