鍛造鋼活塞常見問題解決方案

文／王建軍，胡鑫帥，顧軍，陳艷杰，李玲蔚，姚毅，曹國輝·一汽鍛造（吉林）有限公司

鍛造鋼活塞是我公司全新的鍛件產(chǎn)品，初期開發(fā)時(shí)模具壽命低，鍛件充不滿，鍛件折紋，活塞裙部變形，在生產(chǎn)過程中易發(fā)生很多工藝、質(zhì)量問題，綜合廢品率高達(dá)12%左右，嚴(yán)重制約批量生產(chǎn)。為此公司專門成立項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，攻堅(jiān)克難，查找變化點(diǎn)，把握問題產(chǎn)生的真因，并圓滿完成項(xiàng)目制定的指標(biāo)。

目前新開發(fā)的活塞產(chǎn)品有十二種，其中批量生產(chǎn)的有兩種，其他品種處于樣件階段。我們?cè)诋a(chǎn)品開發(fā)及樣件階段積極配合客戶進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)與客戶產(chǎn)品同步開發(fā)，同步設(shè)計(jì)，加快了項(xiàng)目的整體進(jìn)度。本文主要針對(duì)鍛造活塞在鍛造過程及熱處理過程常見問題及解決方法進(jìn)行闡述，希望對(duì)大家有借鑒作用。

活塞鍛造過程常見問題

鍛件充滿情況

⑴發(fā)生問題。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，活塞裙部是難充滿的位置，鍛件充不滿造成廢品率較高，所以對(duì)于活塞裙部有效高度超過90mm 的產(chǎn)品，如果模具設(shè)計(jì)不合理，鍛件充滿更加困難，裙部未充滿情況如圖1 所示。

⑵解決方案。

活塞產(chǎn)品裙部深且窄，針對(duì)此產(chǎn)品的特點(diǎn)，采用環(huán)形阻力墻結(jié)構(gòu)及增大氣孔直徑到φ4mm，同時(shí)將位置內(nèi)移至裙部中心（圖2）有利于活塞裙部充滿，在實(shí)際生產(chǎn)過程中也得到了驗(yàn)證。

活塞模具壽命

⑴發(fā)生問題。

模具成本高，但壽命極低，初期模具結(jié)構(gòu)為整體式結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)500 件左右模具開裂，模具開裂實(shí)物如圖3 所示。

⑵解決方案。

經(jīng)過多輪的應(yīng)力分析、工藝驗(yàn)證，將模具采用分塊設(shè)計(jì)，模具壽命大幅度提升，分塊后模具的外套及內(nèi)芯實(shí)物如圖4 所示。

模具頂桿

⑴發(fā)生問題。

采用圓截面頂桿，直徑偏小，強(qiáng)度不夠，使用過程中發(fā)生彎曲現(xiàn)象如圖5 所示。

⑵解決方案。

增大頂桿強(qiáng)度的同時(shí)為了增加與鍛件的接觸面積將圓截面頂桿優(yōu)化為橢圓截面，如圖6 所示。

鍛件折紋

⑴發(fā)生問題。

活塞底部燃燒室端面折紋，有時(shí)一批次活塞折紋比例高達(dá)80%～90%，后續(xù)需要打磨，影響生產(chǎn)效率，折紋如圖7 所示。

⑵解決方案。

降低電加熱到主機(jī)的落差，同時(shí)將電加熱到主機(jī)部分的滑道重新設(shè)計(jì)，將坯料與導(dǎo)軌接觸部分的焊點(diǎn)打磨光滑過渡，同時(shí)在滑道的最底端增加緩沖裝置，避免坯料端頭磕碰。

活塞熱處理常見問題

目前鍛造鋼活塞原材料主要有兩種，一種為調(diào)質(zhì)鋼材料，熱處理工藝為調(diào)質(zhì)處理（淬火+回火）；另一種為非調(diào)質(zhì)鋼材料，后續(xù)采用控溫冷卻工藝滿足活塞內(nèi)在機(jī)械性能及金相要求，從活塞原材料發(fā)展的趨勢(shì)來看，非調(diào)質(zhì)鋼材料工藝穩(wěn)定，同時(shí)消除了活塞裙部變形等缺陷，是將來活塞產(chǎn)品理想的原材料選擇。

調(diào)質(zhì)鋼活塞

活塞在發(fā)動(dòng)機(jī)比較復(fù)雜的工況下工作，對(duì)產(chǎn)品的機(jī)械性能、金相等內(nèi)在質(zhì)量要求特別高，熱處理過程中如內(nèi)在質(zhì)量無法保證，將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，從而影響整車的使用。調(diào)質(zhì)鋼活塞內(nèi)在質(zhì)量要求如表1 所示。

活塞產(chǎn)品對(duì)截面硬度有很高的要求，同時(shí)硬度取點(diǎn)位置也要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，如圖8 所示。

由于活塞產(chǎn)品要求各部位淬火質(zhì)量一致性高，而活塞截面尺寸變化劇烈，42CrMo4 材料淬透性高，鍛件淬裂傾向大，初期工藝調(diào)試過程中淬裂比例高達(dá)35%，經(jīng)過項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)多輪評(píng)審、驗(yàn)證，最終確定調(diào)質(zhì)鋼活塞熱處理工藝，見表2。

非調(diào)質(zhì)鋼活塞

由于調(diào)質(zhì)鋼原材料的活塞存在淬火裂紋、熱處理過程變形、熱處理成本高等問題，非調(diào)質(zhì)鋼材料有逐漸替代調(diào)質(zhì)鋼材料的趨勢(shì)，非調(diào)質(zhì)鋼活塞內(nèi)在質(zhì)量要求如表3 所示。

表1 調(diào)質(zhì)鋼活塞內(nèi)在質(zhì)量要求

表2 調(diào)質(zhì)鋼活塞熱處理工藝參數(shù)

表3 非調(diào)質(zhì)鋼活塞內(nèi)在質(zhì)量要求

與調(diào)質(zhì)鋼活塞產(chǎn)品類似，非調(diào)質(zhì)鋼活塞對(duì)截面硬度也有很高的要求，同時(shí)硬度取點(diǎn)位置也要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，截面硬度的均勻性要優(yōu)于調(diào)質(zhì)鋼活塞，如圖9 所示。

非調(diào)質(zhì)鋼控溫冷卻工藝的關(guān)鍵點(diǎn)在于晶粒度及塑性的控制，按照客戶要求：晶粒度≥5 級(jí)，按照要求制定出非調(diào)質(zhì)鋼活塞控溫冷卻曲線，如圖10 所示。

總結(jié)

經(jīng)過項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的共同攻關(guān)，創(chuàng)新模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，活塞產(chǎn)品的模具壽命大幅提升，終鍛模具平均壽命穩(wěn)定在2200 件，年節(jié)約模具成本約127.2 萬元，材料利用率提升3 個(gè)百分點(diǎn)，優(yōu)化熱處理工藝，截面硬度趨于一致，實(shí)現(xiàn)活塞產(chǎn)品大批量生產(chǎn)。同時(shí)實(shí)現(xiàn)精益化生產(chǎn)，在行業(yè)面臨產(chǎn)品降價(jià)、材料漲價(jià)、銷量不確定性等經(jīng)營壓力下，通過節(jié)流降本開源增收增利，為公司完成全年績效指標(biāo)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，項(xiàng)目榮獲中國第一汽車集團(tuán)有限公司科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)。