專利名稱：一種帶內冷卻油腔的熱旋壓制鍛鋼整體活塞制造工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種活塞制造工藝，尤其是一種帶內冷卻油腔的熱旋壓制鍛鋼整體活塞制造工藝。
背景技術：
目前用于載重汽車、工程機械、鐵路機車以及輪船等高性能柴油機要求功率大、油耗低、噪音小、排放低，其強化程度日趨提高。目前國內開發的車用柴油機爆發壓力已超過 20MPa，傳統鑄鋁活塞已難以滿足高性能柴油機可靠性的要求。針對大功率、高負荷的柴油機活塞，鉸接式結構活塞和鍛鋼活塞便應運而生。鉸接擺體式結構活塞，即活塞頭與活塞裙分開加工制造，通過活塞銷連接起來，活塞頭采用鑄鐵或鍛鋼材料，活塞裙采用鋁材料制造。這種活塞因為活塞頭與活塞裙分開制造，增加了加工成本，并且難以形成封閉的冷卻油腔，活塞冷卻效果差，同時因為需要更長的活塞銷進行連接，總體重量也有所增加。鍛鋼活塞在毛坯鍛造生產時不能像鑄造鋁活塞那樣澆鑄出內冷卻油腔，因此目前鍛鋼活塞普遍的生產工藝有以下幾種中國專利CN 1610601A公開了一種制造鍛鋼活塞的方法，該方法是活塞毛坯一體式鍛造，用一個另外加工的環蓋，與活塞頭部加工出的環形溝槽組裝，行成封閉油腔。但其制作工藝復雜，制造成本高，活塞的結構強度有待提高。中國專利C擬851607Y公開了另一種制造鍛鋼活塞的方法，該方法是頭部與裙部分別鍛造，內冷卻油腔是在頭部與裙部分別加工后通過摩擦焊接形成，摩擦焊接受其工藝方式和設備結構性能、精度所限，同批生產的摩擦焊活塞其長度尺寸的一致性較差，導致活塞重量和焊接后所產生的內冷卻油腔尺寸相差很大，從而使焊接廢品率很高，直接影響發動機性能，而且焊接飛邊大(一般在4-8mm)，需要對其露在外面的焊接飛邊進行專門加工處理，但內冷卻油腔里面的焊接飛邊無法去除，會影響到活塞冷卻效果。中國專利CN101265854A公開了另一種制造鍛鋼活塞的方法，該方法是活塞本體和活塞環體分別鍛造和加工，然后通過激光焊接使其成為一體，焊接后兩者間形成內冷卻油腔。激光焊接由于為熔化焊，特別是激光技術采用偏光鏡反射激光產生的光束使其集中在聚焦裝置中產生巨大能量的光束，焊件會在幾毫秒內熔化和蒸發，焊縫區化學成分因高溫蒸發而與母材稍有不同，冷卻時焊縫區容易出現氣孔、偏析、夾雜和裂紋等鑄造組織的結晶缺陷。激光焊接設備復雜、造價高，使用維護技術要求高、焊件厚度尺寸受激光器功率限制，對焊件清整、裝配質量要求嚴格，因而其應用有很大的局限性。

發明內容
本發明的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種帶內冷卻油腔的熱旋壓制鍛鋼整體活塞制造工藝，該工藝能夠簡化目前帶內冷卻油腔的鍛鋼活塞制造工藝，采用該工藝制備的活塞能夠滿足高性能柴油機高功率、高強化、低排放的要求。
為實現上述目的，本發明采用下述技術方案一種帶內冷卻油腔的熱旋壓制鍛鋼整體活塞制造工藝，整體鍛造出活塞毛坯后， 通過機械加工加工出內冷卻油腔內側部分和封堵內冷卻油腔的遮擋部分的活塞半成品，然后加熱遮擋部分采用熱旋壓工藝將活塞內冷卻油腔遮擋部分向下旋壓與內冷卻油腔內側部分接觸，形成完整的內冷卻油腔，具體包括以下步驟1)鍛造活塞整體毛坯；2)對活塞整體毛坯進行熱處理；3)對活塞整體毛坯進行粗加工，加工出內冷卻油腔內側部分和封堵內冷卻油腔的遮擋部分；4)采用工頻或中頻加熱電源，按粗加工后活塞半成品尺寸選用相對應的單圈水冷感應器加熱封堵內冷卻油腔的遮擋部分；5)旋壓封堵內冷卻油腔的遮擋部分與內冷卻油腔內側部分接觸，形成完整的內冷卻油腔；6)采用常規焊接工藝對內冷卻油腔內側部分與遮擋部分縫隙進行簡單封閉；或者內冷卻油腔不需要封閉，保留縫隙，不做處理；7)對活塞半成品進行熱處理；8)分別加工出活塞環形槽、燃燒室、環槽、銷孔、外圓及進出油孔；9)對活塞表面進行磷化或石墨化處理。所述活塞的材料是可鍛造的調制鋼或非調制鋼。所述步驟4)中的采用工頻或中頻加熱電源加熱封堵內冷卻油腔的遮擋部分的工藝參數為電源工作頻率=IOWiz左右；諧振功率60KW ；加熱溫度1100-1200°C ；加熱時間^ 10秒。所述步驟幻中旋壓封堵內冷卻油腔的遮擋部分與內冷卻油腔內側部分接觸，形成完整的內冷卻油腔的工藝方法是5-1)將帶有內冷卻油腔內側部分和封堵內冷卻油腔的遮擋部分的活塞半成品裝在旋壓模上，并用模具定位；5-2)采用縮徑旋壓的方式對活塞內冷卻油腔進行封堵，即用雙旋輪或三個旋輪在圓周上分布，其中一個旋輪在活塞端面，另外一個或兩個旋輪在活塞徑向，各旋輪同步壓下進行旋壓封堵，被旋壓的活塞封堵內冷卻油腔的遮擋部分受力均勻，能實現高速、大進給量的旋壓加工；旋輪支架帶動旋輪在數控操作系統預設置程序控制下自動軸向和徑向運動， 活塞半成品封堵內冷卻油腔的遮擋部分在旋輪的碾壓作用下產生連續塑性變形，最終與內冷卻油腔內側部分接觸，形成完整的內冷卻油腔；5-3)旋壓后期改作單輪旋壓或雙輪旋壓，當旋輪之間要發生相互干涉時，改作單輪旋壓；5-4)旋壓工藝參數旋壓模的主軸最高工作轉速n = 1500r/min ；旋輪徑向有效行程200mm ；旋輪軸向有效行程400mm ；旋輪徑向有效推力150KN旋輪軸向有效推力150KN每道次的減薄率UU彡02 ；總的極限減薄率UUmax彡0. 5 ；旋輪工作角α = 10° -30° ；進給比 f = 0. 5-5mm/r。所述步驟7)中的熱處理過程為回火，在580_620°C保溫1-2小時隨爐冷卻至200°C后出爐空冷。本發明中的旋壓模、模具僅為現有設備，在此不再贅述。本發明的內冷卻油腔內側部分與遮擋部分縫隙可不作處理，保留縫隙或采用普通焊接工藝如氬弧焊等進行簡單封閉，然后再進行精密加工成活塞成品。冷卻油腔通過至少兩個進出油孔與活塞內腔連通，可進油和出油，當活塞在發動機中工作時，機油從進油孔中噴入，并在環形冷卻腔內震蕩流動，從出油孔流出，帶走活塞的熱量，以降低活塞各部位的工作溫度，保證活塞及活塞環的工作可靠性。本發明由于是整體式活塞，因而具有更高的設計強度，特別是旋壓成形過程中金屬纖維保持連續完整，金屬晶格產生結構應變，旋壓區域的強度、硬度、抗拉強度和屈服極限都有所提高，并由此在活塞工作的高壓力區域具有更高的安全系數。所述鍛鋼整體活塞頂部設計有燃燒室，下部設計有銷孔。所述封堵內冷卻油腔的遮擋部分設計有環形槽。本發明為整體式鍛造毛坯，粗加工后旋壓形成內冷卻油腔，內冷卻油腔的形成工藝更簡便，特別是環槽區、燃燒室等高壓力區域為一體鍛造，材料一致性好，不存在焊接可能導致的材料性能差異風險。本發明在活塞裙部上方加工出環形槽，在長軸方向與內腔相通，不僅減輕了重量， 而且有利于油環槽部位機油回油，同時增加了裙部柔性，有利于配缸間隙的減小和機油耗降低。在活塞銷孔方向兩側，鍛出凹偏，在滿足活塞強度要求前提下，減輕了整個活塞的重量。如需避讓發動機機體上安裝的噴油嘴，在活塞裙部下端，可以設計一缺口，以防止活塞運動到下止點時與噴油嘴干涉。本發明不同于CN 1610601A專利之處是，整體鍛造出活塞毛坯后，內冷卻油腔是在粗加工半成品后通過熱旋壓形成，使活塞的內冷卻油腔的形成工藝減化，活塞的結構強度更高。而CN 1610601A專利公開的鍛鋼活塞是組裝結構，其最大的缺點是活塞剛性差，制造工藝復雜。C擬851607Y專利公開的鍛鋼活塞制造方法需要預先鍛造出活塞頭部和裙部毛坯， 然后再分別加工成半成品，通過摩擦焊接將活塞頭部和裙部連接起來，并在兩者之間形成內冷卻油腔，焊縫必須要設置在活塞環槽之間的環岸上。該方法工藝路線長，加工工藝復雜。另外，摩擦焊接尺寸精度較差，同批生產的摩擦焊活塞其長度尺寸的一致性較差，導致活塞重量和焊接后所產生的內冷卻油腔尺寸相差很大，而且焊接飛邊大(一般在4-8mm)， 需要對其露在外面的焊接飛邊進行專門加工處理，但內冷卻油腔里面的焊接飛邊無法去除，會影響到活塞冷卻效果。環岸處的焊縫組織與母材組織存在較大差異，影響活塞加工尺寸的精度和尺寸穩定性，同時焊縫存在焊接缺陷可能，影響活塞環槽區域的強度設計。本發明由于整體鍛造毛坯后然后加工出內冷卻油腔內側部分和封堵內冷卻油腔的遮擋部分，然后通過熱旋壓形成內冷卻油腔，工藝簡便，特別是活塞燃燒室和環槽區域等高壓力區域均為均質的鍛造材料，安全系數更高。內冷卻油腔的高度尺寸由于為加工形成，一致性好。本發明不同于CN101265854B專利之處是，激光焊接焊縫區化學成分因高溫蒸發而與母材稍有不同，冷卻時焊縫區容易出現氣孔、偏析、夾雜和裂紋等鑄造組織的結晶缺陷。尤其是頂面焊縫區存在焊接缺陷將直接導致活塞失效，發動機無法正常工作，嚴重時損毀發動機。本發明是一體式活塞，由此具有更高的設計強度，旋壓過程中，坯料的金屬晶粒在變形力的作用下，沿變形區滑移面錯移，滑移面各滑移層的方向與變形方向一致，因此， 金屬纖維保持連續完整。由于金屬晶格結構應變，旋壓制品的強度、硬度、抗拉強度和屈服極限都有所提高，所以環槽、燃燒室等高壓力區域具有相對更高的安全限度。本發明避免了目前鍛鋼活塞無法直接制造出內冷卻油腔，需要預先制作出活塞頭部和裙部(或活塞本體和活塞環體等)兩體，然后用摩擦焊接或激光焊接等方法焊接成一體，并在兩者之間形成內冷卻油腔。本發明能完全代替焊接工藝制造的帶封閉內冷卻油腔的鍛鋼活塞，解決了因焊接需要制作活塞兩體所帶來的加工復雜程度高和焊接所需的連接精度高、焊縫質量要求嚴等問題，具有結構簡單，制作工藝相對簡便，能滿足發動機高功率、高強化、低排放的要求等優
點ο本發明生產效率高，制造成本低，由于是整體式鍛鋼活塞，特別是旋壓成形過程中金屬纖維保持連續完整，金屬晶格產生結構應變，旋壓區域的強度、硬度、抗拉強度和屈服極限都有所提高，因此擁有更高的可靠性，能更好的滿足發動機的性能要求。其結構為整體鍛造出活塞毛坯后，通過機械加工加工出內冷卻油腔內側部分和封堵內冷卻油腔的遮擋部分，然后加熱遮擋部分采用熱旋壓工藝將活塞內冷卻油腔遮擋部分向下旋壓與內冷卻油腔內側部分接觸，形成完整的內冷卻油腔。內冷卻油腔內側部分與遮擋部分縫隙可不作處理， 保留縫隙或采用普通焊接工藝如氬弧焊等進行簡單封閉。


圖1和圖2為整體鍛造毛坯的主視圖；圖3為整體鍛造毛坯的仰視圖；圖4為粗加工后的半成品圖；圖5為本發明的結構示意圖；其中，活塞頭部1，活塞環槽區2，活塞銷座3，活塞裙部4，活塞裙部面窗5，內冷卻油腔內側部分6，封堵內冷卻油腔的遮擋部分7，活塞銷孔8，活塞內冷卻油腔9，活塞裙部環形槽10，內冷卻油腔封閉處11，燃燒室12。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。圖1、圖2和圖3顯示了利用熱模鍛方法制造的整體式鍛造毛坯。圖1和圖2中用雙點劃線標示出了活塞成品輪廓，圖2鍛造毛坯中頂部增加了一個凹坑，減少了后續的機械加工余量。活塞毛坯上有活塞頭部1、活塞環槽區2、活塞銷座3和活塞裙部4。圖3中活塞裙部有凹進的面窗5。圖4顯示了對活塞毛坯機械粗加工后的活塞半成品，頂部有凹坑的毛坯用虛線標示出了毛坯凹坑的輪廓。活塞半成品上機械加工出了內冷卻油腔內側部分6和封堵內冷卻油腔的遮擋部分7。圖5顯示了根據本發明制造工藝加工好的活塞成品的基本結構形式，其中包括活塞頭部1，活塞環槽區2，活塞銷座3，活塞裙部4，活塞銷孔8，活塞內冷卻油腔9，活塞裙部環形槽10，內冷卻油腔封閉處11，燃燒室。本發明的詳細制造工藝如下1)鍛造活塞整體毛坯，材質為可鍛造的調質鋼或非調質鋼，方法為熱模鍛，工藝分墩粗、預鍛和終鍛三步成形；2)對活塞毛坯進行熱處理調質鋼熱處理規范在830°C保溫1. 5小時然后油冷，回火溫度600°C，保溫2小時；非調質鋼直接空冷至室溫，但應保證在3. 5分鐘內溫度由約1100°C冷卻至500°C ；3)對活塞整體毛坯進行粗加工，加工出內冷卻油腔內側部分6和封堵內冷卻油腔的遮擋部分7 ；4)利用中頻加熱活塞半成品上封堵內冷卻油腔的遮擋部分，在小于10秒的時間里將其加熱到1150°C ；5)旋壓封堵內冷卻油腔的遮擋部分7與內冷卻油腔內側部分6接觸，形成完整的內冷卻油腔11 ；旋壓工藝為5-1)將活塞安裝在旋壓模具上并定位；5-2)采用縮徑旋壓的方式對活塞內冷卻油腔進行封堵，用雙旋輪在圓周上分布， 其中一個旋輪在活塞端面，另外一個旋輪在活塞徑向，雙旋輪同步壓下進行旋壓封堵。旋輪支架帶動各旋輪在數控操作系統預設置程序控制下自動軸向和徑向運動，實現進給，活塞半成品封堵內冷卻油腔的遮擋部分7在旋輪的碾壓作用下產生連續塑性變形，最終與內冷卻油腔內側部分接觸，形成完整的內冷卻油腔；5-3)旋壓后期改作單輪旋壓；5-4)工藝參數主軸最高工作轉速η = 1500r/min(變頻可調)；旋輪徑向有效行程200mm ；旋輪軸向有效行程400mm ；每道次的減薄率^ 02 ；總的極限減薄率 Ψ ΜΧ 彡 0. 5 ；旋輪工作角 α = 10° -30° ；進給比 f = 0. 5_5mm/r。6)用氬弧焊對內冷卻油腔內側部分與遮擋部分縫隙進行簡單封閉；7)對活塞半成品進行熱處理熱處理規范在580_620°C保溫1_2小時隨爐冷卻至200°C后出爐空冷。8)分別加工出活塞環形槽、燃燒室、環槽、銷孔、外圓及進出油孔；9)對活塞表面進行磷化或石墨化處理。本發明的附圖僅僅描述和表示了其一種實施例，具體形狀、結構、尺寸可以在不脫離本發明精神和范圍的情況下，做出多種變化和調整。
權利要求
1.一種帶內冷卻油腔的熱旋壓制鍛鋼整體活塞制造工藝，其特征是，整體鍛造出活塞毛坯后，通過機械加工加工出內冷卻油腔內側部分和封堵內冷卻油腔的遮擋部分的活塞半成品，然后加熱遮擋部分采用熱旋壓工藝將活塞內冷卻油腔遮擋部分向下旋壓與內冷卻油腔內側部分接觸，形成完整的內冷卻油腔，具體包括以下步驟1)鍛造活塞整體毛坯；2)對活塞整體毛坯進行熱處理；3)對活塞整體毛坯進行粗加工，加工出內冷卻油腔內側部分和封堵內冷卻油腔的遮擋部分；4)采用工頻或中頻加熱電源，按粗加工后活塞半成品尺寸選用相對應的單圈水冷感應器加熱封堵內冷卻油腔的遮擋部分；5)旋壓封堵內冷卻油腔的遮擋部分與內冷卻油腔內側部分接觸，形成完整的內冷卻油腔；6)采用常規焊接工藝對內冷卻油腔內側部分與遮擋部分縫隙進行簡單封閉；或者內冷卻油腔不需要封閉，保留縫隙，不做處理；7)對活塞半成品進行熱處理；8)分別加工出活塞環形槽、燃燒室、環槽、銷孔、外圓及進出油孔；9)對活塞表面進行磷化或石墨化處理。
2.如權利要求1所述的帶內冷卻油腔的熱旋壓制鍛鋼整體活塞制造工藝，其特征是， 所述活塞的材料是可鍛造的調制鋼或非調制鋼。
3.如權利要求1所述的帶內冷卻油腔的熱旋壓制鍛鋼整體活塞制造工藝，其特征是， 所述步驟4)中的采用工頻或中頻加熱電源加熱封堵內冷卻油腔的遮擋部分的工藝參數為電源工作頻率=IOkhz左右；諧振功率:60Kff ；加熱溫度=1100-12000C ；加熱時間彡10 秒。
4.如權利要求1所述的帶內冷卻油腔的熱旋壓制鍛鋼整體活塞制造工藝，其特征是， 所述步驟幻中旋壓封堵內冷卻油腔的遮擋部分與內冷卻油腔內側部分接觸，形成完整的內冷卻油腔的工藝方法是5-1)將帶有內冷卻油腔內側部分和封堵內冷卻油腔的遮擋部分的活塞半成品裝在旋壓模上，并用模具定位；5-2)采用縮徑旋壓的方式對活塞內冷卻油腔進行封堵，即用雙旋輪或三個旋輪在圓周上分布，其中一個旋輪在活塞端面，另外一個或兩個旋輪在活塞徑向，各旋輪同步壓下進行旋壓封堵，被旋壓的活塞封堵內冷卻油腔的遮擋部分受力均勻，能實現高速、大進給量的旋壓加工；旋輪支架帶動旋輪在數控操作系統預設置程序控制下自動軸向和徑向運動，活塞半成品封堵內冷卻油腔的遮擋部分在旋輪的碾壓作用下產生連續塑性變形，最終與內冷卻油腔內側部分接觸，形成完整的內冷卻油腔；5-3)旋壓后期改作單輪旋壓或雙輪旋壓，當旋輪之間要發生相互干涉時，改作單輪旋壓；5-4)旋壓工藝參數旋壓模的主軸最高工作轉速n = 1500r/min ；旋輪徑向有效行程200mm;旋輪軸向有效行程400mm ；旋輪徑向有效推力150KN旋輪軸向有效推力 (150KN每道次的減薄率UU彡02 ；總的極限減薄率Vtmax彡0. 5 ；旋輪工作角α =10° -30° ；進給比 f = 0. 5-5mm/r。
5.如權利要求1所述的帶內冷卻油腔的熱旋壓制鍛鋼整體活塞制造工藝，其特征是， 所述步驟7)中的熱處理過程為回火，在580-620°C保溫1-2小時隨爐冷卻至200°C后出爐空冷。
全文摘要
本發明公開了一種帶內冷卻油腔的熱旋壓制鍛鋼整體活塞制造工藝，其采用整體鍛造出活塞毛坯后，通過機械加工加工出帶有內冷卻油腔內側部分和封堵內冷卻油腔的遮擋部分的活塞半成品，然后加熱遮擋部分采用熱旋壓工藝將活塞內冷卻油腔遮擋部分向下旋壓與內冷卻油腔內側部分接觸，形成完整的內冷卻油腔；內冷卻油腔內側部分與遮擋部分縫隙可不作處理，保留縫隙或采用普通焊接工藝如氬弧焊等進行簡單封閉，然后再進行精密加工成活塞成品。本發明具有結構簡單，制作工藝相對簡便，生產效率高，制造成本低，能滿足發動機高功率、高強化、低排放的要求等優點。
文檔編號B23P15/10GK102407431SQ20111034222
公開日2012年4月11日 申請日期2011年11月2日 優先權日2011年11月2日
發明者宋文平, 張國華, 張屹林, 林風華 申請人:山東濱州渤海活塞股份有限公司