鋼質活塞閉式鍛造模具中頂料裝置設計與應用

文/宋加兵，張道峰，黃昌文·安徽安簧機械股份有限公司

根據鋼質活塞的結構特點，將活塞銷座凸臺面尺寸仿形，作為頂料裝置中頂桿端面設計尺寸，增加了頂桿與鍛件頂出位置接觸面積；同時優選頂桿材料、優化頂出裝置參數設計，以提升頂桿強度和頂出力。

鍛鋼活塞因強度高、耐熱性能好，在內燃機實現高壓縮比、提高燃燒效率、減少尾氣排放、提高使用壽命等方面優于傳統鋁合金活塞，是重型商用車內燃機活塞發展方向。鍛鋼活塞一般具有型腔深、拔模角小、壁厚薄等特點，鍛件脫模力大。頂料裝置的可靠與否，直接影響模鍛件成形質量，是自動化鍛造線能否順暢生產的關鍵。

圖1 所示為一款活塞鍛件產品，產品直徑為φ102mm，高度尺寸H1為65mm，其中產品最薄處L1為4.8mm，深度H2為37mm。該產品采用閉式鍛造工藝，尺寸和形狀精度要求高，鍛造成形困難、脫模力大。只有活塞銷座凸臺可以設置為頂料位置，布置空間有限，如圖2 所示。

圖1 鍛件圖

圖2 實體模形

常規設計的頂料裝置存在不足

在樣件開發階段，圖2 所示位置布置兩根常規圓柱形頂桿，頂桿有效直徑為φ8mm，下模及頂料裝置設計如圖3 所示。

圖3 常規頂桿與下模裝配示意圖

方案一：頂桿材質為60Si2Mn，熱處理硬度為50 ～55HRC。試生產中，出現頂桿頻繁斷裂，無法正常生產。

方案二：頂桿材質調整為5CrMnMo，熱處理硬度為38 ～42HRC，試生產中，又出現頂桿早期彎曲失效如圖4 所示，無法正常生產。

方案三：頂桿采用硬質合金材料，制造成本高，試驗效果仍不理想。

失效原因分析

通過上述三種方案分析，我們發現前期彎曲或斷裂，頂料機構失效、頂桿失效的主要原因有以下4 點：

圖4 頂桿彎曲

⑴相對于傳統開式鍛造，采用閉式鍛造時，活塞鍛件全部在下模型腔內成形，鍛件坯料和下模的接觸面積增加，頂料脫模力成倍增加。

⑵閉式鍛造，鍛件沒有飛邊，上、下模配合導向面也位于下模，頂桿必須將鍛件頂出到下模橋面以上，鍛件才能脫模取出。這樣頂料機構的頂出行程比開式鍛造增加40mm 左右，頂桿有效長度也得相應加長，而圓柱頂桿直徑只能做到φ8mm，強度不足，剛性下降。

⑶鍛造過程中，頂桿裝在模具內部，常規材料不能適應高溫、高壓的惡劣的工作環境。

⑷頂桿和模之間配合間隙過大，鍛造中氧化皮、潤滑劑等擠入間隙內，造成頂桿運動受阻。

仿形結構頂桿及模具設計

前期的試驗結果和原因分析表明，常規圓柱頂桿不能滿足活塞閉式鍛造生產的要求，必須從下模及頂桿結構上創新設計。

⑴將活塞鍛件銷座凸臺頂端R 角調整為尖角如圖5 所示。

⑵活塞下模，沿著銷座凸臺外尖角位置，設計制作兩個帶臺階的頂桿孔如圖6 所示，頂桿孔的上部分設置為導向段，其長度L2為20mm。下部分設計為尺寸較大的臺階孔，保證仿形組合頂桿上下運動。

⑶按銷座凸臺面尺寸，仿形設計制作頂桿如圖7 所示。仿形設計的頂桿由頂桿本體和端頭兩部分組成，頂桿本體選用H13 材質，熱處理硬度為48 ～52HRC；端頭部分材質采用45#，熱處理硬度為28 ～32HRC；頂桿本體和端頭采用S7/h6 過盈配合，牢固可靠。

圖5 凸臺優化后實體模形

圖6 活塞下模

⑷頂桿本體與下模頂桿孔之間為間隙配合，圖6、圖7 中H1/h1配合間隙為0.5mm，W1/w1配合間隙為0.3mm。保證鍛造中頂桿沿著頂桿孔導向段自由滑動，模具型腔內殘留的石墨乳、氧化皮能夠從間隙流走。

新設計的仿形組合頂桿具有頂料可靠、壽命長等優點。端頭截面大于頂桿本體截面，起到限位作用，防止頂桿隨著鍛件脫離下模型腔。仿形頂桿截面積是常規圓柱頂桿的4 倍以上，剛性加強，同等頂出壓力頂桿承受的工作應力大大減小，頂桿壽命顯著提高。仿形頂桿自重增加，頂料行程結束后，有利于頂桿準時回落到初始工作位置。

圖7 仿形頂桿

圖8 活塞鍛件

結束語

新設計、制作的仿形組合頂桿與鍛造模具在我公司應用于機器人鍛造線，連續鍛造活塞(圖8)5000件以上，沒有出現卡模及頂桿彎曲、斷裂等情況。仿形組合頂桿適應高溫高壓，脫料可靠、變形量小、使用壽命長，適用于閉式、自動化鍛造。