发动机活塞演变过程及锻钢活塞研究

文／王建军，胡鑫帅，陈艳杰，顾军，姚毅，李玲蔚，曹国辉·一汽锻造（吉林）有限公司

活塞是汽车发动机的“心脏”，承受交变的机械负荷和热负荷，是发动机中工作条件最恶劣的关键零部件之一。随着国五及国六排放标准实施，常规的铝合金和铸铁活塞已远远不能适应高性能发动机的高增压、低油耗、低排放等新技术要求。锻钢结构活塞因卓越的抗高温性能，可承受住重型商用车发动机的高爆发压力，成为了最佳解决方案。爆发压力是发动机气缸里最高压力，它决定了发动机对外输出的功率及排放，发动机爆发压力在1961年只有110Bar，2000年上升到180Bar，随后几年加速上升至240Bar，预计2020年可达到270Bar。随着越来越严苛的排放标准实施，中国汽车发动机行业将发生较大变化，尤其是重型柴油机对钢活塞的需求将会日益上升，锻钢活塞的需求量将会逐年攀升，市场前景会更加宽广。

发动机活塞产品介绍

活塞在高温、高压、高负荷条件下工作，对材料、机械性能要求相对比较高，要有足够的强度、刚度，重量要轻，以保证最小的惯性，导热性还要好，还需耐高温、高压、腐蚀，保证充足的散热能力，且受热面积要小。按制造活塞的材料及演变过程可分为铝合金活塞、铸铁活塞、钢活塞三大类。

铝合金活塞

铝合金活塞材质轻，能有效降低总成重量，密度小，大大减小了活塞的质量及往复运动的惯性力。铝合金活塞常常应用于中小缸径的中高速内燃机上，工作过程中产生的惯性小，对高速内燃机的减振和降低发动机的质量有重要意义，典型铝合金活塞如图1所示。

铸铁活塞

现代发动机尤其是柴油机为了大幅度地提高热效率，增压程度不断提高，这使得气缸内部的热负荷明显增大。铝合金活塞本身固有的热强度不高、线膨胀系数较大的缺点越来越严重，使其在柴油机上的使用范围受到明显的限制。为此，在一些大负荷的柴油机上，开始采用热强度和耐磨性较高而线膨胀系数较低的铸铁活塞，铸铁的密度约为铝合金的3倍，中、小型卡车典型的铸铁活塞如图2所示。

锻造钢活塞

以上活塞都是采用铸造工艺进行生产，随着大马力汽车发动机快速发展，尤其是重型柴油发动机涡轮增压，低排放等要求的不断提高，传统铝合金及铸钢活塞材料已无法满足使用要求。目前国外很多公司已将钢活塞应用于高性能中重型柴油机上，如曼、卡特彼勒、康明斯、戴姆勒、沃尔沃、奔驰等公司。

钢的机械强度高，耐热性、耐蚀性以及耐磨性均优于铝合金和铸铁，具有高弹性模量，优良而稳定的高温性能和比较低的线膨胀系数等优点，但缺点是密度大、加工麻烦、成本高，对缸套的磨损严重，为使活塞质量更轻，通常将钢制活塞的结构设计得十分复杂，活塞裙部断面很薄，锻造工艺难度较大，复杂系数达到S4级别，钢活塞产品如图3所示。

锻造钢活塞生产研究

锻造钢活塞在最近几年发展比较迅速，是活塞产品的主流生产工艺，随着国家对环保力度的加强，发动机排放标准日趋严格，钢活塞产品的发展空间将会更大。锻造活塞对产品结构、形状要求严格，生产成本高，后续机加工难度比较大，在生产过程中容易产生模具寿命低、裙部充不满、裙部变形、淬火裂纹、表面质量不满足要求等问题。

活塞锻件结构分析

⑴活塞进、出油孔。

传统的钢活塞内腔进、出油孔都是通过机加工实现的，这样活塞产品内腔结构比较简单，模具内芯经过氮化处理后抗磨损性能加强，模具寿命较高。随着客户对产品要求的不断提高，原来经过机加工方式获得的进、出油孔结构需要采用锻造方式实现，这就给锻造工艺带来很大的难度，常见的活塞进、出油孔结构如图4所示。

目前高压缩比活塞产品进、出油孔结构比较复杂，个别出油孔直径只有φ8mm左右，拔模角在5°～10°，这样给模具制造带来很大难度，进、出油孔直径比较小，在模具上呈现凸起结构，耐磨性差，导致模具寿命偏低。同时客户对锻件进、出油孔尺寸精度要求非常高，有轮廓度、公差的要求，轮廓度要求±0.5mm，生产过程中模具稍有磨损就可能导致轮廓度超差，产生批量废品，油孔形状如图5所示。

⑵锻钢活塞结构。

1)整体结构：发动机在国四排放标准之前，国内主流锻造活塞为整体结构，将活塞头与活塞裙集成为一体，锻件毛坯重量约为成品重量的2～2.5倍，经过机加工后成品重量比较轻，同时强度及性能都可以满足工况要求，活塞整体高度降低，减小了发动机高度，节约了装配空间，同时对减轻整车的重量有着积极的作用，但是这种结构的活塞加工成本较高，活塞油道环状凹槽加工难度大，对机加工设备、工艺、加工刀具的寿命具有很大的挑战性，典型的整体锻造钢活塞产品如图6所示。

2)铰接结构（钢活塞顶部+铝合金裙部）：大马力发动机的活塞负载很大，所以要用钢材料，而活塞是往返运动件，消耗的能量很多，这就要求重量应尽量轻一些，所以底部还是要用轻材料铝合金，这样就诞生了铰接结构活塞，如图7所示。

3)分体结构（钢活塞头+钢活塞裙）：活塞头和活塞裙通过激光焊接组成的活塞可以满足发动机排放标准要求，同时此种活塞以高压缩比，燃烧更充分等优点将逐渐替代整体钢活塞，锻造钢活塞头及活塞裙产品如图8所示。

锻造过程模拟分析

活塞产品设计过程中采用Forge软件进行工艺模拟，通过对镦粗、预锻、终锻各工位数值模拟，在项目开发过程中将工艺、设计等问题的风险降到最低，经过几轮的工艺模拟论证，最终确定数模用于模具加工制造。

⑴镦粗模拟结果分析。

镦粗工位主要控制坯料镦粗高度及去除氧化皮，镦粗高度对预锻件充满程度有很大影响，此活塞产品坯料高度由135mm镦粗至90mm。

⑵预锻模拟结果分析。

预锻是活塞产品工艺设计成败的关键，保证预锻充满良好的同时锻打力还不能超出锻造设备的额定吨位。图9所示状态均为设计厚度(N+1)mm时的模拟情况，预锻充满良好，预锻工位的锻打力在额定的设备吨位以内。

⑶终锻模拟结果分析。

终锻工序是保证客户最终产品的工位，此工位的模拟结果直接影响现场实际生产时终锻件的质量，模拟参数的设置很关键，模拟步骤设置的越细结果越接近实际生产情况。

终锻件充满情况如图10所示，由模拟结果可以看出，在厚度尺寸+1mm情况下，终锻件充满良好，这样设置模拟的目的是保证实际生产过程中锻件充满，为充满预留一定的保险系数，同时也为实际生产原材料下料提供数据参考。

总结

锻造钢活塞是发动机活塞将来发展的趋势，也是主流生产工艺，一汽锻造公司没有该类产品的开发经验，在公司的大力支持下，项目团队临危受命，经过两年多的技术攻关实现活塞产品大批量生产，产品质量获得客户的充分认可。开发过程中获得专利一项，技术创新二十余项，后续针对未关闭的项目加大研发力度，突破锻钢活塞技术、工艺难题，为公司提质、降本、增效提供强有力的支持。