[发明专利]钢质内冷活塞的制造方法及其模具

说明书

技术领域

本发明涉及活塞制造技术领域，尤其涉及一种钢质内冷活塞的制造方法及其模具。

背景技术

钢质内冷活塞是用于重型卡车发动机上的关键零件，其特点有两点，一是材质为中碳热作模具钢，二是在燃烧室周边设置有一个环形通道，其内充满冷却介质进行冷却。它比铝合金活塞具有更高的使用寿命，是活塞发展的方向之一。目前钢质内冷活塞的毛坯成形技术包括铸造、整体模锻和锻焊三种，其中铸造钢质内冷活塞的毛坯形状和尺寸最接近成品，是采用砂芯或盐芯形成内冷腔，采用砂型铸造方法成形。为了得到致密的活塞，生产过程必须使用大的冒口来补缩，导致材料利用率不足60％；整体模锻钢质内冷活塞的毛坯与成品形状差距很大，没有内冷腔、销孔、顶部与裙部之间的环沟等结构，需要后续机械加工来获得这些结构，材料利用率不足40％；锻焊结合的钢质内冷活塞毛坯由裙部和头部两部分组成，其分界线位于内冷腔的最大截面处。头部毛坯是一个圆饼形锻件，需要利用切削加工方法加工出内冷腔；裙部毛坯形状与活塞整体末端的裙部相似，采用去除加工方法将头部和裙部的分界面加工为平面后，采用摩擦压力焊或激光焊将头部和裙部焊接在一起，得到整体毛坯。这种毛坯在内冷腔内会残留焊接形成的飞边，其高度一般在3-5mm范围，这种飞边的存在会在一定程度上降低冷却效果。此外，这种毛坯的制造方法工序多，成本高，焊缝附近的热影响区容易出现微裂纹，直接影响使用寿命。

现有技术中，利用液态模锻或挤压铸造技术制备铝合金活塞的报道和实例很多。《特种铸造及有色合金》第31卷第11期公开了程先军研究190型Al-Si活塞挤压铸造(即液态模锻)的工艺方法，该方法的技术特征包括：裙部在上，上部加压，底部二次加压，上部加压压力为71.3～79.2MPa，底部加压压力15.2-16.2MPa，加压开始时间不超过60s.加压速度为0.004～0.006m/s，保压时间为110～130秒。其步骤是：将定量(12.6+0.5)kg的铝液(温度为700—710℃)倒入金属外模中，扒渣后，油压机上缸下行，芯模对铝液进行加压，上缸压力为18—20MPa。压力到最大时开始计时，10～15s后底缸开始加压，其压力为20.22MPa，保压时间为110～130s。保压完毕后即可拆模取出活塞铸件。为了防止模温过高，当上缸压力到18～20MPa时开始通水冷却至脱模为止。该方法的缺点为：这种成形方法加压过程压力损失大，难以获得致密活塞，无法用于钢质内冷活塞。

现有技术还公开了景德镇景航锻铸有限责任公司江志明进行铝合金活塞的液态模锻的文章，该方法的技术特征包括：采用凹凸模结构的直接液锻方式。凹模下半部设计脱模轴销式，脱模方式采用轴销退件机构，并采用斜锲以实现轴销的锁紧和退出：设置反压装置，通过凹模底部20个矩形弹簧，将凹模托起7～8mm，当压制时，凸模和凹模一起下压，压缩弹簧，使凹模和凹模镶块产生相对移动，对制件厚壁处实现有效反压作用，达到改善组织的目的；采用顶杆直接顶顶块使液锻件和凹模脱离。其中反压弹簧很关键，采用的是专用大弹力弹簧，20个弹簧均匀的圆周分布在下模座上。其它所有模具结构都要通过强度校核和安装定位方式的确定，从而保证模具的正常工作。该方法的缺点为：这种模具结构复杂，且无法解决压力损耗大和厚壁处存在缩松缺陷的问题；

申请号为200320106374.9的实用新型公开了一种复杂铝合金组合式液态模锻的模具，它有底模安装在下模座上，下模座安装在下模垫板上，下模座上面有凹模中圈，凹模中圈内侧有组合凹模、外侧有凹模外圈，凹模外圈与下垫板固定在一起，底模下面有顶杆，组合凹模上面有与其对应的上压头，上压头上部通过固定圈固定在上垫板上，组合凹模、凹模中圈、凹模外圈上有销芯通过接头与销芯油缸上的活塞杆连接在一起。这种模具只适用于铝合金活塞。

内燃机2006年第3期公开了铝活塞挤压铸造(即液态模锻)的技术现状，但未涉及钢质活塞的液态模锻。《特种铸造及有色合金》2005年挤压铸造、半固态加工学术年会专刊公开了李敏华等压缩机铝活塞挤压铸造的模具，虽然采用了斜导柱结构，但其作用仅是用来抽出销孔芯。

上述相关文献和专利，均只是针对铝合金活塞进行的，未见针对钢质液态模锻的报道，也未见有内冷腔活塞液态模锻的报道。钢质内冷活塞液态模锻有很多技术难点：如模具结构和材料如何适应钢液的高温作用，内冷腔如何形成，如何确保燃烧室的组织性能优越，如何高效率地制备等。

发明内容

本发明的实施例提供了一种钢质内冷活塞的制造方法及其模具，以实现有效地制作液态模锻的钢质内冷活塞。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。