發動機活塞演變過程及鍛鋼活塞研究

文／王建軍，胡鑫帥，陳艷杰，顧軍，姚毅，李玲蔚，曹國輝·一汽鍛造（吉林）有限公司

活塞是汽車發動機的“心臟”，承受交變的機械負荷和熱負荷，是發動機中工作條件最惡劣的關鍵零部件之一。隨著國五及國六排放標準實施，常規的鋁合金和鑄鐵活塞已遠遠不能適應高性能發動機的高增壓、低油耗、低排放等新技術要求。鍛鋼結構活塞因卓越的抗高溫性能，可承受住重型商用車發動機的高爆發壓力，成為了最佳解決方案。爆發壓力是發動機氣缸里最高壓力，它決定了發動機對外輸出的功率及排放，發動機爆發壓力在1961年只有110Bar，2000年上升到180Bar，隨后幾年加速上升至240Bar，預計2020年可達到270Bar。隨著越來越嚴苛的排放標準實施，中國汽車發動機行業將發生較大變化，尤其是重型柴油機對鋼活塞的需求將會日益上升，鍛鋼活塞的需求量將會逐年攀升，市場前景會更加寬廣。

發動機活塞產品介紹

活塞在高溫、高壓、高負荷條件下工作，對材料、機械性能要求相對比較高，要有足夠的強度、剛度，重量要輕，以保證最小的慣性，導熱性還要好，還需耐高溫、高壓、腐蝕，保證充足的散熱能力，且受熱面積要小。按制造活塞的材料及演變過程可分為鋁合金活塞、鑄鐵活塞、鋼活塞三大類。

鋁合金活塞

鋁合金活塞材質輕，能有效降低總成重量，密度小，大大減小了活塞的質量及往復運動的慣性力。鋁合金活塞常常應用于中小缸徑的中高速內燃機上，工作過程中產生的慣性小，對高速內燃機的減振和降低發動機的質量有重要意義，典型鋁合金活塞如圖1所示。

鑄鐵活塞

現代發動機尤其是柴油機為了大幅度地提高熱效率，增壓程度不斷提高，這使得氣缸內部的熱負荷明顯增大。鋁合金活塞本身固有的熱強度不高、線膨脹系數較大的缺點越來越嚴重，使其在柴油機上的使用范圍受到明顯的限制。為此，在一些大負荷的柴油機上，開始采用熱強度和耐磨性較高而線膨脹系數較低的鑄鐵活塞，鑄鐵的密度約為鋁合金的3倍，中、小型卡車典型的鑄鐵活塞如圖2所示。

鍛造鋼活塞

以上活塞都是采用鑄造工藝進行生產，隨著大馬力汽車發動機快速發展，尤其是重型柴油發動機渦輪增壓，低排放等要求的不斷提高，傳統鋁合金及鑄鋼活塞材料已無法滿足使用要求。目前國外很多公司已將鋼活塞應用于高性能中重型柴油機上，如曼、卡特彼勒、康明斯、戴姆勒、沃爾沃、奔馳等公司。

鋼的機械強度高，耐熱性、耐蝕性以及耐磨性均優于鋁合金和鑄鐵，具有高彈性模量，優良而穩定的高溫性能和比較低的線膨脹系數等優點，但缺點是密度大、加工麻煩、成本高，對缸套的磨損嚴重，為使活塞質量更輕，通常將鋼制活塞的結構設計得十分復雜，活塞裙部斷面很薄，鍛造工藝難度較大，復雜系數達到S4級別，鋼活塞產品如圖3所示。

鍛造鋼活塞生產研究

鍛造鋼活塞在最近幾年發展比較迅速，是活塞產品的主流生產工藝，隨著國家對環保力度的加強，發動機排放標準日趨嚴格，鋼活塞產品的發展空間將會更大。鍛造活塞對產品結構、形狀要求嚴格，生產成本高，后續機加工難度比較大，在生產過程中容易產生模具壽命低、裙部充不滿、裙部變形、淬火裂紋、表面質量不滿足要求等問題。

活塞鍛件結構分析

⑴活塞進、出油孔。

傳統的鋼活塞內腔進、出油孔都是通過機加工實現的，這樣活塞產品內腔結構比較簡單，模具內芯經過氮化處理后抗磨損性能加強，模具壽命較高。隨著客戶對產品要求的不斷提高，原來經過機加工方式獲得的進、出油孔結構需要采用鍛造方式實現，這就給鍛造工藝帶來很大的難度，常見的活塞進、出油孔結構如圖4所示。

目前高壓縮比活塞產品進、出油孔結構比較復雜，個別出油孔直徑只有φ8mm左右，拔模角在5°～10°，這樣給模具制造帶來很大難度，進、出油孔直徑比較小，在模具上呈現凸起結構，耐磨性差，導致模具壽命偏低。同時客戶對鍛件進、出油孔尺寸精度要求非常高，有輪廓度、公差的要求，輪廓度要求±0.5mm，生產過程中模具稍有磨損就可能導致輪廓度超差，產生批量廢品，油孔形狀如圖5所示。

⑵鍛鋼活塞結構。

1)整體結構：發動機在國四排放標準之前，國內主流鍛造活塞為整體結構，將活塞頭與活塞裙集成為一體，鍛件毛坯重量約為成品重量的2～2.5倍，經過機加工后成品重量比較輕，同時強度及性能都可以滿足工況要求，活塞整體高度降低，減小了發動機高度，節約了裝配空間，同時對減輕整車的重量有著積極的作用，但是這種結構的活塞加工成本較高，活塞油道環狀凹槽加工難度大，對機加工設備、工藝、加工刀具的壽命具有很大的挑戰性，典型的整體鍛造鋼活塞產品如圖6所示。

2)鉸接結構（鋼活塞頂部+鋁合金裙部）：大馬力發動機的活塞負載很大，所以要用鋼材料，而活塞是往返運動件，消耗的能量很多，這就要求重量應盡量輕一些，所以底部還是要用輕材料鋁合金，這樣就誕生了鉸接結構活塞，如圖7所示。

3)分體結構（鋼活塞頭+鋼活塞裙）：活塞頭和活塞裙通過激光焊接組成的活塞可以滿足發動機排放標準要求，同時此種活塞以高壓縮比，燃燒更充分等優點將逐漸替代整體鋼活塞，鍛造鋼活塞頭及活塞裙產品如圖8所示。

鍛造過程模擬分析

活塞產品設計過程中采用Forge軟件進行工藝模擬，通過對鐓粗、預鍛、終鍛各工位數值模擬，在項目開發過程中將工藝、設計等問題的風險降到最低，經過幾輪的工藝模擬論證，最終確定數模用于模具加工制造。

⑴鐓粗模擬結果分析。

鐓粗工位主要控制坯料鐓粗高度及去除氧化皮，鐓粗高度對預鍛件充滿程度有很大影響，此活塞產品坯料高度由135mm鐓粗至90mm。

⑵預鍛模擬結果分析。

預鍛是活塞產品工藝設計成敗的關鍵，保證預鍛充滿良好的同時鍛打力還不能超出鍛造設備的額定噸位。圖9所示狀態均為設計厚度(N+1)mm時的模擬情況，預鍛充滿良好，預鍛工位的鍛打力在額定的設備噸位以內。

⑶終鍛模擬結果分析。

終鍛工序是保證客戶最終產品的工位，此工位的模擬結果直接影響現場實際生產時終鍛件的質量，模擬參數的設置很關鍵，模擬步驟設置的越細結果越接近實際生產情況。

終鍛件充滿情況如圖10所示，由模擬結果可以看出，在厚度尺寸+1mm情況下，終鍛件充滿良好，這樣設置模擬的目的是保證實際生產過程中鍛件充滿，為充滿預留一定的保險系數，同時也為實際生產原材料下料提供數據參考。

總結

鍛造鋼活塞是發動機活塞將來發展的趨勢，也是主流生產工藝，一汽鍛造公司沒有該類產品的開發經驗，在公司的大力支持下，項目團隊臨危受命，經過兩年多的技術攻關實現活塞產品大批量生產，產品質量獲得客戶的充分認可。開發過程中獲得專利一項，技術創新二十余項，后續針對未關閉的項目加大研發力度，突破鍛鋼活塞技術、工藝難題，為公司提質、降本、增效提供強有力的支持。