專利名稱：一種帶內(nèi)冷卻油腔的冷旋壓制鍛鋼整體活塞制造工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種活塞制造工藝，尤其是一種帶內(nèi)冷卻油腔的冷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(nèi)開發(fā)的車用柴油機爆發(fā)壓力已超過 20MPa，傳統(tǒng)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(chǎn)時不能像鑄造鋁活塞那樣澆鑄出內(nèi)冷卻油腔，因此目前鍛鋼活塞普遍的生產(chǎn)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(huán)蓋，與活塞頭部加工出的環(huán)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(nèi)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(chǎn)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(chǎn)生的內(nèi)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(fā)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(nèi)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(huán)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(nèi)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(chǎn)生的光束使其集中在聚焦裝置中產(chǎn)生巨大能量的光束，焊件會在幾毫秒內(nèi)熔化和蒸發(fā)，焊縫區(qū)化學成分因高溫蒸發(fā)而與母材稍有不同，冷卻時焊縫區(qū)容易出現(xiàn)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(zhì)量要求嚴格，因而其應用有很大的局限性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種帶內(nèi)冷卻油腔的冷旋壓制鍛鋼整體活塞制造工藝，該工藝能夠簡化目前帶內(nèi)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(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術方案一種帶內(nèi)冷卻油腔的冷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帶有內(nèi)冷卻油腔內(nèi)側部分和封堵內(nèi)冷卻油腔的遮擋部分的活塞半成品，然后采用冷旋壓工藝將活塞內(nèi)冷卻油腔遮擋部分向下旋壓與內(nèi)冷卻油腔內(nèi)側部分接觸，形成完整的內(nèi)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(nèi)冷卻油腔內(nèi)側部分和封堵內(nèi)冷卻油腔的遮擋部分；4)旋壓封堵內(nèi)冷卻油腔的遮擋部分與內(nèi)冷卻油腔內(nèi)側部分接觸，形成完整的內(nèi)冷卻油腔；5)采用常規(guī)焊接工藝對內(nèi)冷卻油腔內(nèi)側部分與遮擋部分縫隙進行簡單封閉；或者內(nèi)冷卻油腔不需要封閉，保留縫隙，不做處理；6)對活塞半成品進行熱處理；7)分別加工出活塞環(huán)形槽、燃燒室、環(huán)槽、銷孔、外圓及進出油孔；8)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(diào)制鋼或非調(diào)制鋼。所述步驟2、中熱處理過程為，調(diào)質(zhì)鋼熱處理在800-850°C保溫1_2小時然后油冷，回火溫度600°C，保溫1. 5-2. 5小時；非調(diào)質(zhì)鋼直接空冷至室溫，即應在3-4分鐘內(nèi)溫度由鍛后的 1100°C 士50°C冷卻至 500°C 士50°C。所述步驟4)中的旋壓封堵內(nèi)冷卻油腔的遮擋部分與內(nèi)冷卻油腔內(nèi)側部分接觸， 形成完整的內(nèi)冷卻油腔的旋壓工藝為4-1)將帶有內(nèi)冷卻油腔內(nèi)側部分和封堵內(nèi)冷卻油腔的遮擋部分的活塞半成品裝在旋壓模上，并用模具進行定位；4-2)采用縮徑旋壓的方式對活塞內(nèi)冷卻油腔進行封堵，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(nèi)冷卻油腔的遮擋部分受力均勻，能實現(xiàn)高速、大進給量的旋壓加工；旋輪支架帶動各旋輪在數(shù)控操作系統(tǒng)預設置程序控制下自動軸向和徑向運動， 實現(xiàn)進給，活塞半成品封堵內(nèi)冷卻油腔的遮擋部分在旋輪的碾壓作用下產(chǎn)生連續(xù)塑性變形，最終與內(nèi)冷卻油腔內(nèi)側部分接觸，形成完整的內(nèi)冷卻油腔；4-3)旋壓后期改作單輪旋壓或雙輪旋壓，當旋輪之間要發(fā)生相互干涉時，改作單輪旋壓；4-4)工藝參數(shù)主軸最高工作轉速n = 1500r/min(變頻可調(diào))；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0. 2 ；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。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(fā)明中的旋壓模、模具僅為現(xiàn)有設備，在此不再贅述。
本發(fā)明的內(nèi)冷卻油腔內(nèi)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(nèi)腔連通，可進油和出油，當活塞在發(fā)動機中工作時，機油從進油孔中噴入，并在環(huán)形冷卻腔內(nèi)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(huán)的工作可靠性。本發(fā)明為整體式鍛造毛坯，粗加工后旋壓形成內(nèi)冷卻油腔，內(nèi)冷卻油腔的形成工藝更簡便，特別是環(huán)槽區(qū)、燃燒室等高壓力區(qū)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(fā)明在活塞裙部上方加工出環(huán)形槽，在長軸方向與內(nèi)腔相通，不僅減輕了重量， 而且有利于油環(huán)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(fā)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(fā)明不同于CN 1610601A專利之處是，整體鍛造出活塞毛坯后，內(nèi)冷卻油腔是在粗加工半成品后通過冷旋壓形成，使活塞的內(nèi)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(nèi)冷卻油腔，焊縫必須要設置在活塞環(huán)槽之間的環(huán)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(chǎn)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(chǎn)生的內(nèi)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(nèi)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(huán)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(wěn)定性，同時焊縫存在焊接缺陷可能，影響活塞環(huán)槽區(qū)域的強度設計。本發(fā)明由于整體鍛造毛坯后然后加工出內(nèi)冷卻油腔內(nèi)側部分和封堵內(nèi)冷卻油腔的遮擋部分，然后通過冷旋壓形成內(nèi)冷卻油腔，工藝簡便，特別是活塞燃燒室和環(huán)槽區(qū)域等高壓力區(qū)域均為均質(zhì)的鍛造材料，安全系數(shù)更高。內(nèi)冷卻油腔的高度尺寸由于為加工形成，一致性好。本發(fā)明不同于CN101265854B專利之處是，激光焊接焊縫區(qū)化學成分因高溫蒸發(fā)而與母材稍有不同，冷卻時焊縫區(qū)容易出現(xiàn)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(qū)存在焊接缺陷將直接導致活塞失效，發(fā)動機無法正常工作，嚴重時損毀發(fā)動機。本發(fā)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(qū)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(xù)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(huán)槽、燃燒室等高壓力區(qū)域為一體鍛造具有相對更高的安全限度。本發(fā)明的其他目的和特點在隨后結合附圖對本發(fā)明的詳細描述中將會變得更清晰。本專利的示意圖僅顯示了其結構形式，具體形狀尺寸可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，對其結構尺寸作出變化和調(diào)整。


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(fā)明加工產(chǎn)品的結構示意圖；其中，活塞頭部1，活塞環(huán)槽區(qū)2，活塞銷座3，活塞裙部4，活塞裙部面窗5，內(nèi)冷卻油腔內(nèi)側部分6，封堵內(nèi)冷卻油腔的遮擋部分7，活塞銷孔8，活塞內(nèi)冷卻油腔9，活塞裙部環(huán)形槽10，內(nèi)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(fā)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(xù)的機械加工余量?；钊魃嫌谢钊^部1、活塞環(huán)槽區(qū)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(nèi)冷卻油腔內(nèi)側部分6和封堵內(nèi)冷卻油腔的遮擋部分7。圖5顯示了根據(jù)本發(fā)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(huán)槽區(qū)2，活塞銷座3，活塞裙部4，活塞銷孔8，活塞內(nèi)冷卻油腔9，活塞裙部環(huán)形槽10，內(nèi)冷卻油腔封閉處11，燃燒室12。本發(fā)明的詳細制造工藝如下1)鍛造活塞整體毛坯，材質(zhì)為可鍛造的調(diào)質(zhì)鋼或非調(diào)質(zhì)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(diào)質(zhì)鋼熱處理規(guī)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(diào)質(zhì)鋼直接空冷至室溫，但應保證在3. 5分鐘內(nèi)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(nèi)冷卻油腔內(nèi)側部分6和封堵內(nèi)冷卻油腔的遮擋部分7 ；4)旋壓封堵內(nèi)冷卻油腔的遮擋部分7與內(nèi)冷卻油腔內(nèi)側部分6接觸，形成完整的內(nèi)冷卻油腔11 ；旋壓工藝為4-1)將活塞安裝在旋壓模具上并定位；4-2)采用縮徑旋壓的方式對活塞內(nèi)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(shù)控操作系統(tǒng)預設置程序控制下自動軸向和徑向運動，實現(xiàn)進給，活塞半成品封堵內(nèi)冷卻油腔的遮擋部分在旋輪的碾壓作用下產(chǎn)生連續(xù)塑性變形，最終與內(nèi)冷卻油腔內(nèi)側部分接觸，形成完整的內(nèi)冷卻油腔；
4-3)旋壓后期改作單輪旋壓；4-4)工藝參數(shù)主軸最高工作轉速η = 1500r/min(變頻可調(diào))；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UU > 0. 2 ；總的極限減薄率 ￥tmax 彡 0. 5 ；旋輪工作角 α = 10° -30° ；進給比 f = 0. 5_5mm/r。5)用氬弧焊對內(nèi)冷卻油腔內(nèi)側部分與遮擋部分縫隙進行簡單封閉；6)對活塞半成品進行熱處理熱處理規(guī)范在580_620°C保溫1_2小時隨爐冷卻至200°C后出爐空冷。7)分別加工出活塞環(huán)形槽、燃燒室、環(huán)槽、銷孔、外圓及進出油孔；8)對活塞表面進行磷化或石墨化處理。本發(fā)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(fā)明精神和范圍的情況下，做出多種變化和調(diào)整。
權利要求
1.一種帶內(nèi)冷卻油腔的冷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帶有內(nèi)冷卻油腔內(nèi)側部分和封堵內(nèi)冷卻油腔的遮擋部分的活塞半成品，然后采用冷旋壓工藝將活塞內(nèi)冷卻油腔遮擋部分向下旋壓與內(nèi)冷卻油腔內(nèi)側部分接觸，形成完整的內(nèi)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(nèi)冷卻油腔內(nèi)側部分和封堵內(nèi)冷卻油腔的遮擋部分；4)旋壓封堵內(nèi)冷卻油腔的遮擋部分與內(nèi)冷卻油腔內(nèi)側部分接觸，形成完整的內(nèi)冷卻油腔；5)采用常規(guī)焊接工藝對內(nèi)冷卻油腔內(nèi)側部分與遮擋部分縫隙進行簡單封閉；或者內(nèi)冷卻油腔不需要封閉，保留縫隙，不做處理；6)對活塞半成品進行熱處理；7)分別加工出活塞環(huán)形槽、燃燒室、環(huán)槽、銷孔、外圓及進出油孔；8)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(nèi)冷卻油腔的冷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(diào)制鋼或非調(diào)制鋼。
3.如權利要求1所述的帶內(nèi)冷卻油腔的冷旋壓制鍛鋼整體活塞制造工藝，其特征是， 所述步驟4)中旋壓封堵內(nèi)冷卻油腔的遮擋部分與內(nèi)冷卻油腔內(nèi)側部分接觸，形成完整的內(nèi)冷卻油腔的工藝方法是4-1)將帶有內(nèi)冷卻油腔內(nèi)側部分和封堵內(nèi)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；4-2)采用縮徑旋壓的方式對活塞內(nèi)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(nèi)冷卻油腔的遮擋部分受力均勻，能實現(xiàn)高速、大進給量的旋壓加工；旋輪支架帶動旋輪在數(shù)控操作系統(tǒng)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(nèi)冷卻油腔的遮擋部分在旋輪的碾壓作用下產(chǎn)生連續(xù)塑性變形，最終與內(nèi)冷卻油腔內(nèi)側部分接觸，形成完整的內(nèi)冷卻油腔；4-3)旋壓后期改作單輪旋壓或雙輪旋壓，當旋輪之間要發(fā)生相互干涉時，改作單輪旋壓；4-4)旋壓工藝參數(shù)旋壓模的主軸最高工作轉速m = 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。
4.如權利要求1所述的帶內(nèi)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(fā)明公開了一種帶內(nèi)冷卻油腔的冷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(nèi)冷卻油腔內(nèi)側部分和封堵內(nèi)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(nèi)冷卻油腔遮擋部分向下旋壓與內(nèi)冷卻油腔內(nèi)側部分接觸，形成完整的內(nèi)冷卻油腔；內(nèi)冷卻油腔內(nèi)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(fā)明具有結構簡單，制作工藝相對簡便，生產(chǎn)效率高，制造成本低，能滿足發(fā)動機高功率、高強化、低排放的要求等優(yōu)點。
文檔編號B23P15/10GK102423843SQ20111034187
公開日2012年4月25日 申請日期2011年11月2日 優(yōu)先權日2011年11月2日
發(fā)明者宋文平, 張國華, 張屹林, 林風華 申請人:山東濱州渤?；钊煞萦邢薰?br>