鋼質內冷活塞的制造方法及其模具技術

本發明專利技術提供了一種鋼質內冷活塞的制造方法及其模具。該模具主要包括：上模、中模、抽芯機構和下模，上模包括上模體、上模頂板和裙腔芯、清理推板、清理桿、斜導柱，上模頂板的中央設置有安放清理推板的圓形凹坑，與上模體接觸的下平面上開有排氣道；中模包括中模體和中模套兩部分，中模體由垂直分模的左半模、右半模組成，用來形成活塞的外形；抽芯機構包括抽芯油缸、銷孔芯和安裝結構；下模包括料腔、下模板、支撐板、水平滑道和壓頭。本發明專利技術實施例的鋼質內冷活塞毛坯的制造方法使用外形與內冷腔相同的芯形成內冷腔，采用液態模鍛技術進行毛坯成形，既能有效提高材料利用率和制造效率，又能確保組織性能。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及活塞制造
，尤其涉及一種鋼質內冷活塞的制造方法及其模具。
技術介紹
鋼質內冷活塞是用于重型卡車發動機上的關鍵零件，其特點有兩點，一是材質為中碳熱作模具鋼，二是在燃燒室周邊設置有一個環形通道，其內充滿冷卻介質進行冷卻。它比鋁合金活塞具有更高的使用壽命，是活塞發展的方向之一。目前鋼質內冷活塞的毛坯成形技術包括鑄造、整體模鍛和鍛焊三種，其中鑄造鋼質內冷活塞的毛坯形狀和尺寸最接近成品，是采用砂芯或鹽芯形成內冷腔，采用砂型鑄造方法成形。為了得到致密的活塞，生產過程必須使用大的冒口來補縮，導致材料利用率不足60％；整體模鍛鋼質內冷活塞的毛坯與成品形狀差距很大，沒有內冷腔、銷孔、頂部與裙部之間的環溝等結構，需要后續機械加工來獲得這些結構，材料利用率不足40％；鍛焊結合的鋼質內冷活塞毛坯由裙部和頭部兩部分組成，其分界線位于內冷腔的最大截面處。頭部毛坯是一個圓餅形鍛件，需要利用切削加工方法加工出內冷腔；裙部毛坯形狀與活塞整體末端的裙部相似，采用去除加工方法將頭部和裙部的分界面加工為平面后，采用摩擦壓力焊或激光焊將頭部和裙部焊接在一起，得到整體毛坯。這種毛坯在內冷腔內會殘留焊接形成的飛邊，其高度一般在3-5mm范圍，這種飛邊的存在會在一定程度上降低冷卻效果。此外，這種毛坯的制造方法工序多，成本高，焊縫附近的熱影響區容易出現微裂紋，直接影響使用壽命。現有技術中，利用液態模鍛或擠壓鑄造技術制備鋁合金活塞的報道和實例很多。《特種鑄造及有色合金》第31卷第11期公開了程先軍研究190型Al-Si活塞擠壓鑄造(即液態模鍛)的工藝方法，該方法的技術特征包括：裙部在上，上部加壓，底部二次加壓，上部加壓壓力為71.3～79.2MPa，底部加壓壓力15.2-16.2MPa，加壓開始時間不超過60s.加壓速度為0.004～0.006m/s，保壓時間為110～130秒。其步驟是：將定量(12.6+0.5)kg的鋁液(溫度為700—710℃)倒入金屬外模中，扒渣后，油壓機上缸下行，芯模對鋁液進行加壓，上缸壓力為18—20MPa。壓力到最大時開始計時，10～15s后底缸開始加壓，其壓力為20.22MPa，保壓時間為110～130s。保壓完畢后即可拆模取出活塞鑄件。為了防止模溫過高，當上缸壓力到18～20MPa時開始通水冷卻至脫模為止。該方法的缺點為：這種成形方法加壓過程壓力損失大，難以獲得致密活塞，無法用于鋼質內冷活塞。現有技術還公開了景德鎮景航鍛鑄有限責任公司江志明進行鋁合金活塞的液態模鍛的文章，該方法的技術特征包括：采用凹凸模結構的直接液鍛方式。凹模下半部設計脫模軸銷式，脫模方式采用軸銷退件機構，并采用斜鍥以實現軸銷的鎖緊和退出：設置反壓裝置，通過凹模底部20個矩形彈簧，將凹模托起7～8mm，當壓制時，凸模和凹模一起下壓，壓縮彈簧，使凹模和凹模鑲塊產生相對移動，對制件厚壁處實現有效反壓作用，達到改善組織的目的；采用頂桿直接頂頂塊使液鍛件和凹模脫離。其中反壓彈簧很關鍵，采用的是專用大彈力彈簧，20個彈簧均勻的圓周分布在下模座上。其它所有模具結構都要通過強度校核和安裝定位方式的確定，從而保證模具的正常工作。該方法的缺點為：這種模具結構復雜，且無法解決壓力損耗大和厚壁處存在縮松缺陷的問題；申請號為200320106374.9的技術公開了一種復雜鋁合金組合式液態模鍛的模具，它有底模安裝在下模座上，下模座安裝在下模墊板上，下模座上面有凹模中圈，凹模中圈內側有組合凹模、外側有凹模外圈，凹模外圈與下墊板固定在一起，底模下面有頂桿，組合凹模上面有與其對應的上壓頭，上壓頭上部通過固定圈固定在上墊板上，組合凹模、凹模中圈、凹模外圈上有銷芯通過接頭與銷芯油缸上的活塞桿連接在一起。這種模具只適用于鋁合金活塞。內燃機2006年第3期公開了鋁活塞擠壓鑄造(即液態模鍛)的技術現狀，但未涉及鋼質活塞的液態模鍛。《特種鑄造及有色合金》2005年擠壓鑄造、半固態加工學術年會專刊公開了李敏華等壓縮機鋁活塞擠壓鑄造的模具，雖然采用了斜導柱結構，但其作用僅是用來抽出銷孔芯。上述相關文獻和專利，均只是針對鋁合金活塞進行的，未見針對鋼質液態模鍛的報道，也未見有內冷腔活塞液態模鍛的報道。鋼質內冷活塞液態模鍛有很多技術難點：如模具結構和材料如何適應鋼液的高溫作用，內冷腔如何形成，如何確保燃燒室的組織性能優越，如何高效率地制備等。
技術實現思路
本專利技術的實施例提供了一種鋼質內冷活塞的制造方法及其模具，以實現有效地制作液態模鍛的鋼質內冷活塞。為了實現上述目的，本專利技術采取了如下技術方案。根據本專利技術的一個方面，提供了一種鋼質內冷活塞的制造模具，包括：上模、中模、抽芯機構和下模，所述上模包括上模體、上模頂板和裙腔芯、清理推板、清理桿、斜導柱，所述上模頂板的中央設置有安放清理推板的圓形凹坑，與上模體接觸的下平面上開有排氣道；所述中模包括中模體和中模套兩部分，所述的中模體由垂直分模的左半模、右半模組成，用來形成活塞的外形；所述抽芯機構包括抽芯油缸、銷孔芯和安裝結構；所述的下模包括料腔、下模板、支撐板、水平滑道和壓頭，所述下模板用來將下模安裝在工作臺上，并通過支撐板與水平滑道連接在一起。進一步地，所述的裙腔芯用模具鋼制成，與上模頂板同軸，采用沉頭螺釘與上模頂板連接牢固，所述的裙腔芯上設置有內冷腔芯芯頭插入的兩個錐形孔，錐孔深40-100mm，錐度與內冷腔芯芯頭一致；錐形孔上方為圓柱形通孔，清理桿插入圓柱形通孔的內部，并上下運動；所述的裙腔芯的側面留有與銷孔芯接觸的圓坑。進一步地，所述清理推板的厚度為15-30mm，直徑比內冷腔芯直徑大10-20mm，所述清理推板由彈簧支撐，所述清理桿垂直安裝在清理推板的下方；所述上模體的上面為平面，下面為中央設有斜度為5-10°的圓坑的臺階面，所述圓坑的底面直徑與所述下模體的上沿直徑一致，圓坑深度5-30mm，中央設有安裝裙腔芯的通孔。進一步地，所述的上模套設有安裝斜導柱的斜孔，該斜孔的內徑與所述上模體的外徑相一致，采用H7/h6的間隙配合，防止上模體開裂；所述斜導柱的數量為2個或4個，采用對稱分布，直徑15-40mm，斜度5-15°，安裝在上模套的斜孔內。進一步地，所述的銷孔芯用模具鋼制成，前端帶過渡圓角，尾端帶有與油缸活塞桿鏈接的內螺紋，水平安裝在抽芯油缸的活塞端部，在抽芯油缸帶動下水平推進和后退；所述的抽芯油缸是兩個水平安裝的活塞缸，所述的安裝結構是用鋼制成的支座，將抽芯油缸與安裝平臺連接在一起。進一步地，所述中模體的左右半模的上部均設有一段圓臺，該圓臺的直徑、高度和錐度與上模體上中央圓坑的直徑、高度和錐度對應一致，該圓臺的下部為光滑平面，內壁與活塞的外形一致，通過壓板和螺釘與中模套固定在一起，隨著中模套做水平運動。進一步地，所述在活塞的銷孔所在的高度上設置有銷孔芯通過的通孔，與銷孔芯之間為間隙配合，配合間隙0.10-0.25mm，所述的中模套上下面均為光滑平面，在對應位置設置有斜導柱和銷孔芯通過的通孔，下部設置有燕尾凸臺，安裝在燕尾槽內，沿水平方向左右運動，運動行程20-100mm。進一步地，所述的料腔為圓筒形，直徑為90-150mm，內孔與壓頭之間為間隙配合，配合間隙0.15-0.30mm，容積為活塞毛坯體積的1.1-1.3倍，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種鋼質內冷活塞的制造模具，其特征在于，包括：上模、中模、抽芯機構和下模，所述上模包括上模體、上模頂板和裙腔芯、清理推板、清理桿、斜導柱，所述上模頂板的中央設置有安放清理推板的圓形凹坑，與上模體接觸的下平面上開有排氣道；所述中模包括中模體和中模套兩部分，所述的中模體由垂直分模的左半模、右半模組成，用來形成活塞的外形；所述抽芯機構包括抽芯油缸、銷孔芯和安裝結構；所述的下模包括料腔、下模板、支撐板、水平滑道和壓頭，所述下模板用來將下模安裝在工作臺上，并通過支撐板與水平滑道連接在一起。

【技術特征摘要】
1.一種鋼質內冷活塞的制造模具，其特征在于，包括：上模、中模、抽芯機構和下模，所述上模包括上模體、上模頂板和裙腔芯、清理推板、清理桿、斜導柱，所述上模頂板的中央設置有安放清理推板的圓形凹坑，與上模體接觸的下平面上開有排氣道；所述中模包括中模體和中模套兩部分，所述的中模體由垂直分模的左半模、右半模組成，用來形成活塞的外形；所述抽芯機構包括抽芯油缸、銷孔芯和安裝結構；所述的下模包括料腔、下模板、支撐板、水平滑道和壓頭，所述下模板用來將下模安裝在工作臺上，并通過支撐板與水平滑道連接在一起。2.根據權利要求1所述的鋼質內冷活塞的制造模具，其特征在于，所述的裙腔芯用模具鋼制成，與上模頂板同軸，采用沉頭螺釘與上模頂板連接牢固，所述的裙腔芯上設置有內冷腔芯芯頭插入的兩個錐形孔，錐孔深40-100mm，錐度與內冷腔芯芯頭一致；錐形孔上方為圓柱形通孔，清理桿插入圓柱形通孔的內部，并上下運動；所述的裙腔芯的側面留有與銷孔芯接觸的圓坑。3.根據權利要求2所述的鋼質內冷活塞的制造模具，其特征在于，所述清理推板的厚度為15-30mm，直徑比內冷腔芯直徑大10-20mm，所述清理推板由彈簧支撐，所述清理桿垂直安裝在清理推板的下方；所述上模體的上面為平面，下面為中央設有斜度為5-10°的圓坑的臺階面，所述圓坑的底面直徑與所述下模體的上沿直徑一致，圓坑深度5-30mm，中央設有安裝裙腔芯的通孔。4.根據權利要求3所述的鋼質內冷活塞的制造模具，其特征在于，所述的上模套設有安裝斜導柱的斜孔，該斜孔的內徑與所述上模體的外徑相一致，采用H7/h6的間隙配合，防止上模體開裂；所述斜導柱的數量為2個或4個，采用對稱分布，直徑15-40mm，斜度5-15°，安裝在上模套的斜孔內。5.根據權利要求1所述的鋼質內冷活塞的制造模具，其特征在于，所述的銷孔芯用模具鋼制成，前端帶過渡圓角，尾端帶有與油缸活塞桿鏈接的內螺紋，水平安裝在抽芯油缸的活塞端部，在抽芯油缸帶動下水平推進和后退；所述的抽芯油缸是兩個水平安裝的活塞缸，所述的安裝結構是用鋼制成的支座，將抽芯油缸與安裝平臺連接在一起。6.根據權利要求1所述的鋼質內冷活塞的制造模具，其特征在于，所述中模體的左右半模的上部均設有一段圓臺，該圓臺的直徑、高度和錐度與上模體上中央圓坑的直徑、高度和錐度對應一致，該圓臺的下部為光滑平面，內壁與活塞的外形一致，通過壓板和螺釘與中模套固定在一起，隨著中模套做水平運動。7.根據權利要求6所述的鋼質內冷活塞的制造模具，其特征在于，所述在活塞的銷孔所在的高度上設置有銷孔芯通過的通孔，與銷孔芯之間為間隙配合，配合間...

【專利技術屬性】
技術研發人員：邢書明，李少乾，
申請(專利權)人：北京交通大學，
類型：發明
國別省市：北京;11