V28 -1活塞模鍛件精化設(shè)計與鍛壓工藝改進
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孫超
(哈爾濱理工大學材料科學與工程學院，黑龍江哈爾濱150080)
摘要：V28—1鋁合金活塞模鍛件是火車內(nèi)燃機活塞的坯料，是東北輕合金有限責任公司近些年開發(fā)的主要產(chǎn)品之一。針對原來鍛件加工余量大，金屬利用率低，成品率低，生產(chǎn)工序復雜，產(chǎn)品成本高等問題，開展了鍛件精化設(shè)計與鍛壓生產(chǎn)工藝改進的研究，取得了成功，經(jīng)生產(chǎn)實踐表明有良好的經(jīng)濟效益。
關(guān)鍵詞：4A11鋁合金活塞鍛件；精化設(shè)計；工藝改進；優(yōu)質(zhì)操作
中圖分類號：TG319 文獻標識碼：A 文章編號：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
隨著我國鐵路運輸業(yè)的發(fā)展，發(fā)動機活塞做為列車內(nèi)燃機的關(guān)鍵部件市場需求量較大。4A11鋁合金活塞鍛件( V28)是東北輕合金有限責任公司近些年開發(fā)的主要產(chǎn)品之一，如何生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)、低價的產(chǎn)品是開拓市場的關(guān)鍵。為此對原V28活塞模鍛件采取精化設(shè)計和改進鍛壓生產(chǎn)工藝等技術(shù)措施，解決了該鍛件加工余量大、金屬利用率低、成品率和經(jīng)濟效益不高等問題。經(jīng)大量生產(chǎn)實踐證明，實施精化設(shè)計與改進鍛壓工藝獲得了成功，提高了經(jīng)濟效益。
1 鍛件精化設(shè)計
鍛件的形狀、尺寸及精度都是由鍛件的模具設(shè)計來實現(xiàn)的。原V28模鍛件單個質(zhì)量是50.8kg，粗加工后單個質(zhì)量是37 kg，機械加工后的零件單個質(zhì)量19.8 kg。金屬的利用率僅為39%，因此對鍛件進行精化設(shè)計，以減小加工余量是有實際效果的重要措施。
1.1模具設(shè)計
1)為了提高金屬利用率、降低產(chǎn)品成本，對終壓模具進行精化設(shè)計，使活塞鍛件內(nèi)腔表面由原來的加工表面全部改變?yōu)榉羌庸け砻�，這將會節(jié)省大量金屬，也減少了機械加工的工作量。外加工表面由原來單面加工5 mm改為3 mm，從而節(jié)約了金屬。
2)采取終壓模上設(shè)計出圓導壁形式，提高了上下模的對中性，保證了終壓不錯移，提高了鍛件精度，使產(chǎn)品在市場上更具有競爭力。
3)在終壓模上設(shè)計頂料器。原先V28模鍛件沒有頂料器，鍛件出模相當困難，常常將鍛件撬廢；有時怕粘下模就往下模型腔內(nèi)多抹潤滑劑，這樣易造成下模中鍛件不成形；如果鍛件粘到上模上就更加難撬下來，常常用大錘往下打，常把鍛件打廢；如果上下型腔內(nèi)都多抹潤滑劑，勢必造成上下型腔中鍛件都不易成形，尤其上型腔螺栓孔處的棱角就更不易成形，而造成廢品。有了頂料器后，下�？缮倌ㄓ湾懠膊徽成夏＃瑥亩鴮ι夏＿m量潤滑，既保證鍛件成形和表面質(zhì)量，又不擔心鍛件脫模；減輕了工人的勞動強度，縮短了生產(chǎn)周期，大大地節(jié)約工時。
4)減小出模角和圓角半徑。由于在終壓模上設(shè)計了頂料器，使鍛件容易出模，從而減小了模鍛件的出模角度，由原來的70改為1 0。并減小鍛件的圓角半徑，提高了鍛件的精度，節(jié)約了金屬材料。
5)在模具結(jié)構(gòu)上，終壓上模采用烘裝組合式結(jié)構(gòu)，既提高了上模凸頭部的強度，減少模壓過程中的磨損，同時提高了模具壽命，節(jié)省模具鋼塊，簡化了制模工藝過程。模頭采用耐高溫工具鋼4Cr5 MoVSi,既提高了強度、耐磨性和表面光潔度，又防止模具變形（如圖1）。
1.2設(shè)計頂料機構(gòu)
頂料機構(gòu)的作用是使鍛件從模膛中頂出，它適用于閉式模鍛和模膛較深、形狀復雜、出模斜度小、起料困難的開式模鍛。
1.2.1 對終壓模的頂桿結(jié)構(gòu)進行改進
終壓模采用整體形頂桿（見圖1），即頂桿與鍛件接觸部分做成與鍛件底部完全吻合且大小一樣的頂桿�？朔司植啃雾敆U由于與模具接觸面積小，頂桿與模具接觸處易變形而造成頂桿下沉及包死頂桿，致使鍛件底部多肉及產(chǎn)生毛刺的缺點。
另一方面，由于鍛件底部的圓弧處在模壓的過程中受壓產(chǎn)生彈性變形，使得頂桿與模內(nèi)腔緊密配合而不產(chǎn)生間隙，圓弧阻止金屬流向縫隙處，緩解此處受力，從而鍛件底部不產(chǎn)生毛刺，使鍛件底部整潔美觀。
由于鍛件底部直徑較小，導致受力面積較小，致使頂桿仍有下沉和抱死頂桿的可能。針對這一問題，對頂桿結(jié)構(gòu)進行改進。首先將頂料桿的長桿直徑由咖90 mm改為咖80 mm，從而增大頂桿底部與模具的受力面積，使頂桿不易下沉或模具底部也不易變形而抱死頂桿。同時水壓機頂桿由咖100 mm改為qb80 mm，使其與之匹配。取消咖135 mm x135 mm處結(jié)構(gòu)改為Ф85mm孔，降低模塊高度135 mm。既節(jié)約模具鋼塊又增強頂桿處模具的受力面積，相對增加此處強度，防止此處壓塌、變形或抱死頂桿。改進后消除了原來的一些不利因素的影響，從批量生產(chǎn)鍛件情況看效果很好。
1.2.2對50 MN水壓機的頂料機構(gòu)進行改進
由于改進了終壓模的頂桿結(jié)構(gòu)，原水壓機頂料機構(gòu)已不適應改進后模具頂料之用，因此，對50 MN模鍛水壓機頂料機構(gòu)做相應的改進。改進前與改進后頂料機構(gòu)對比如圖2所示。
從圖2中可以看出，頂出桿直徑由原來咖100mm改為Ф80 mm，壓環(huán)內(nèi)徑由原來咖102 mm改為咖82 mm，桿長由原來500 mm改為550 mm，頂出桿材料由原來45#鋼改為5CrMnMo鋼。
經(jīng)過上述改進，頂桿不但適用于此模具，同時也適用于帶頂料機構(gòu)的所有模具，且鍛件頂出高度由原來的100 mm增加至150 mm，大大地方便鍛件出模，又由于采用SCrMnMo工具鋼，其熱處理后硬度可達45 HRC～50 HRC，從而保證頂桿的強度和使用壽命。
1.3新增設(shè)圓胎毛料模
活塞鍛件以開式模鍛壓方法生產(chǎn)，在模壓變形過程中金屬流動主要以反擠成形的方式來完成。根據(jù)這一特點，設(shè)計出錐臺形的圓胎毛料模（參見圖3和圖4）。其要點是依據(jù)成品鍛件所需的金屬總量，以1.1倍的體積系數(shù)，制成與終壓下模形狀尺寸基本吻合的實心圓胎模。這樣既保證總體金屬量夠用，又起到合理分配金屬的目的，使終壓變形過程更加平穩(wěn)，又易于成形，可減少鍛件錯移、不成形和折疊等缺陷。
在沒有毛料模時鍛件直接終壓，在鍛件螺栓孔處折疊嚴重，常常成批報廢。有了毛料模后鍛件成品率達100%，也減少了鍛壓變形過程中模具的磨損。
1.4設(shè)計圓胎模頂料機構(gòu)和改進30 MN模鍛水壓機頂料機構(gòu)
V28-1圓胎模頂料機構(gòu)與V28-1終壓模頂料機構(gòu)的結(jié)構(gòu)與功能相同。
由于設(shè)計了V28—1圓胎模的頂料機構(gòu)，原水壓機頂料機構(gòu)已不適應此模具頂料之用，因此，對30MN模鍛水壓機頂料機構(gòu)做相應的改進。改進前與改進后頂料機構(gòu)對比如圖5所示。從圖中可以看出，頂出桿直徑由原來咖90 mm改為Ф80 mm，壓環(huán)內(nèi)徑由原來咖92 mm改為咖82 mm，桿長由原來370mm改為470 mm，頂出桿材料由原來45#鋼改為SCrMnMo鋼。
經(jīng)過上述改進，頂桿不但適用于此模具，同時也適用于帶頂料機構(gòu)的所有模具，且鍛件頂出高度由原來的50 mm增加至150 mm，大大地方便鍛件出模，又由于采用SCrMnMo工具鋼，其熱處理后硬度可達45 HRC—50 HRC，從而保證頂桿的強度和使用壽命。
2鍛壓工藝的改進
原V28活塞模鍛件采用擠壓棒為毛料，規(guī)格為Ф220 mm x470+5 mm。鍛壓工藝：首先毛料經(jīng)過鍛造，再經(jīng)二次終壓而成。毛料投入量大，生產(chǎn)工藝過程復雜，成品率低，成本高。
鍛壓工藝改進：毛料尺寸改為Ф220 mm×440+5 mm，每個毛料減重3 kg。取消了原工藝中的毛料鍛造工序和一次終壓工序。毛料經(jīng)一次加熱在兩臺鍛壓設(shè)備上連續(xù)完成圓坯毛料鍛壓和終壓兩道成型工序鍛壓出成品，實現(xiàn)了“雙機作業(yè)一火壓成”的先進工藝。
上述工藝改進中，V28-1鍛件比原V28鍛件減少了一次終壓工序，并實現(xiàn)一火壓成，比原工藝減少了兩次加熱、一次模壓、一次切邊、一次洗修工序，既降低了能耗又縮短了生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)效率。在隨后的鍛件粗加工過程中，可使每件鍛件質(zhì)量減少5 kg。
在鍛壓過程中，在保證鍛件完全成型的條件下，嚴格控制鍛件的欠壓量（即高向的尺寸偏差）。這樣又可使交付的每件鍛件質(zhì)量減少1kg。
經(jīng)過以上改進，鍛件減輕了質(zhì)量，簡化了生產(chǎn)過程，原有的鍛件表面缺陷——不成形、錯移、折疊等大為減少。由于鍛件質(zhì)量變輕，在淬火過程中增強了淬透性，使鍛件的力學性能穩(wěn)定地提高。
3 生產(chǎn)過程優(yōu)質(zhì)操作要點
3.1擠壓鍛造毛料
1)毛料為Ф220 mm 4A11鋁合金棒材，采用Ф482 mm xl 050 mm的鑄錠單孔反擠壓而成。在鑄錠裝爐前將其表面的灰塵、鋁屑等雜物清理干凈，加熱到380CC—450qC、保溫5 h~6 h，控制擠壓速度以防止擠壓棒材出現(xiàn)起皮、成層和裂紋。在擠壓到剩最后Im時要慢速擠壓，以減小縮尾長度。
2)毛料檢查：①首先檢查擠壓毛料是否有起皮、氣泡、裂紋等缺陷，發(fā)現(xiàn)有上述質(zhì)量缺陷及時反映給有關(guān)人員鑒定其能否使用。②低倍檢查，通過了上述檢查的擠壓棒材，每根從尾部切掉500 mm后切30+5 mm的低倍試片，在小圓鋸上進行切取以減小毛料端面鋸切切紋和鋸口寬度，在低倍試片和棒材端面打上合金號、批號、根號，將低倍試片送中心實驗室做低倍檢查。③高倍組織檢查，按每熔次切取一個高倍試樣送中心實驗室檢查高倍組織中的初晶硅分布情況，初晶硅最大線尺寸不大于0.08 mm。
3.2鍛壓
1)切鍛壓毛料：當?shù)捅逗透弑督M織檢查合格后鋸切鍛壓毛料，規(guī)格Ф220 mm×440+3 mm，在每個切成的毛料上打上合金號、批號，并將毛料上的鋸切毛刺和鋁屑清除干凈。
2)裝爐、加熱：裝爐前檢查員對照任務單和隨行卡片檢查毛料規(guī)格，清除掉毛料上的鋁屑及臟物，將毛料在料盤上擺放整齊。毛料在合用爐內(nèi)加熱，加熱溫度450℃~ 4800C、保溫2h。加熱過程中每半小時測一次溫。
3)鍛壓：實行雙機作業(yè)一火壓成，即在1號機毛壓后轉(zhuǎn)到2號機終壓，模具溫度為380qC~420℃，模壓前將模膛清理干凈。
1號機按上定位鍵防止模具串動，下模為V28-1圓胎模，上模為薄平砧，潤滑劑采用沙錠油，不允許加石墨，如有毛料掉到地上要立即夾起放入模膛鐓壓，以防熱量散失過快，模壓后產(chǎn)生大晶粒。2號機按上定位鍵防止模具串動，風動裝卡夾住模具，用高壓風將模腔內(nèi)的雜物及石墨吹干凈。潤滑劑配比為20%~300/0石墨+700/0~800/0錠子油，混合攪拌均勻后對上下模型腔充分潤滑。
模壓成形的圓臺毛坯用鍛鉗夾住，利用1號機與2號機之間的索道盡快送到2號機終壓模內(nèi)進行模壓。終壓時進行兩次潤滑兩次上壓，一次上壓后抬車放氣后再上壓，以確保成形。模具一定要壓靠，保證欠壓量合格一火壓成。嚴格執(zhí)行首件檢查制，把好成形、欠壓、溫度關(guān)。
3.3切邊和蝕洗
在帶鋸床上切除鍛件毛邊，切后毛邊的殘留量小于或等于2 mm，然后將鍛件橫向擺放在酸洗筐內(nèi)，不允許立放和倒扣著放，以防液體不能在鍛件內(nèi)腔流進流出，以致蝕洗不干凈。堿洗后要充分水洗，控制好腐蝕時間不宜過長，防止過腐蝕。
3,4熱處理
1)淬火前檢查與修傷：將蝕洗后的鍛件擺放在地面鋪有鋁墊盤的修傷場地，進行嚴格的淬火前檢查，發(fā)現(xiàn)有折疊起皮要徹底修凈。對需要挽救的鍛件修傷處應擴展并圓滑過渡，以防在挽救模壓時產(chǎn)生折疊。對淬火前檢查合格的鍛件要打上對號后輕拿輕放到料筐內(nèi)，吊到南跨料場。
2)切淬火試料、車皮：在小圓鋸上按批次和淬火爐次切試料，每批切低倍試片厚30+5 mm。每爐要切試料一塊，并在試料上打批號、合金以防混料，并將切好的試料送到待淬火料場放試料處擺放好，以便找料裝爐。在C630車床上對鍛件車皮，車皮后尺寸為Ф256±1mm，分三次走刀，前兩次粗車，后一次精車，用專用樣板檢查外圓尺寸和壁厚偏差，其壁厚偏差為±0.5 mm，加工精度為Ra3.2。
3)熱處理：將V28-1鍛件倒放在淬火料筐內(nèi)，將試料放在下筐的上面。淬火溫度為521+4℃、保溫180 min，淬火水溫30℃~40℃，淬火轉(zhuǎn)移時間小于或等于15 s，淬火料筐在水中往復升降15次以上，然后在水中停留15 min后吊出水面。淬火后在1MN油壓矯直機上進行矯直，專用胎具和樣板，單面間隙小于或等于0.7 mm，矯直合格的鍛件要打好矯直號。時效溫度165+5℃、保溫10 h，總加熱時間10h—12 h，裝時效爐時料架擺放要有利環(huán)風的暢通，使之加熱均勻、快速。
4鍛件組織性能檢測
4.1取樣
高倍、低倍、硬度、縱向拉伸試樣的取樣位置和方向如圖6所示。
4.2檢測結(jié)果
V28-1模鍛件外形尺寸經(jīng)劃線檢查及用戶的試加工證明完全符合圖紙和相關(guān)技術(shù)標準的要求。化學成分分析結(jié)果表明符合國標中4A11鋁合金的化學成分要求。各項力學性能值高于標準規(guī)定的指標，見表1。
V28—1模鍛件的組織參見圖7。從低倍照片看，晶粒均勻，金屬流線均勻合理，符合Q/S 822-07標準的技術(shù)要求。從高倍金相照片看，組織正常，未過燒，化合物的大小及分布都比較均勻，共晶硅成細小均勻分布。從斷口照片看，組織細密，無任何冶金缺陷。
5 結(jié)束語
1)生產(chǎn)實踐表明經(jīng)過精化設(shè)計和工藝改進后生產(chǎn)的V28—1活塞鍛件，其外形尺寸、精度、力學性能和內(nèi)部組織都符合Q/S 822-97技術(shù)標準要求。
2)該鍛件的重量成品率由原來的51%增加至72%，同時簡化了生產(chǎn)過程，降低了能耗，提高了生產(chǎn)效率，降低了成本。
3)成品活塞鍛件個重從原來的37 kg減至34.5kg，節(jié)省了金屬，有良好的經(jīng)濟效益。
