钢质活塞闭式锻造模具中顶料装置设计与应用

文/宋加兵，张道峰，黄昌文·安徽安簧机械股份有限公司

根据钢质活塞的结构特点，将活塞销座凸台面尺寸仿形，作为顶料装置中顶杆端面设计尺寸，增加了顶杆与锻件顶出位置接触面积；同时优选顶杆材料、优化顶出装置参数设计，以提升顶杆强度和顶出力。

锻钢活塞因强度高、耐热性能好，在内燃机实现高压缩比、提高燃烧效率、减少尾气排放、提高使用寿命等方面优于传统铝合金活塞，是重型商用车内燃机活塞发展方向。锻钢活塞一般具有型腔深、拔模角小、壁厚薄等特点，锻件脱模力大。顶料装置的可靠与否，直接影响模锻件成形质量，是自动化锻造线能否顺畅生产的关键。

图1 所示为一款活塞锻件产品，产品直径为φ102mm，高度尺寸H1为65mm，其中产品最薄处L1为4.8mm，深度H2为37mm。该产品采用闭式锻造工艺，尺寸和形状精度要求高，锻造成形困难、脱模力大。只有活塞销座凸台可以设置为顶料位置，布置空间有限，如图2 所示。

图1 锻件图

图2 实体模形

常规设计的顶料装置存在不足

在样件开发阶段，图2 所示位置布置两根常规圆柱形顶杆，顶杆有效直径为φ8mm，下模及顶料装置设计如图3 所示。

图3 常规顶杆与下模装配示意图

方案一：顶杆材质为60Si2Mn，热处理硬度为50 ～55HRC。试生产中，出现顶杆频繁断裂，无法正常生产。

方案二：顶杆材质调整为5CrMnMo，热处理硬度为38 ～42HRC，试生产中，又出现顶杆早期弯曲失效如图4 所示，无法正常生产。

方案三：顶杆采用硬质合金材料，制造成本高，试验效果仍不理想。

失效原因分析

通过上述三种方案分析，我们发现前期弯曲或断裂，顶料机构失效、顶杆失效的主要原因有以下4 点：

图4 顶杆弯曲

⑴相对于传统开式锻造，采用闭式锻造时，活塞锻件全部在下模型腔内成形，锻件坯料和下模的接触面积增加，顶料脱模力成倍增加。

⑵闭式锻造，锻件没有飞边，上、下模配合导向面也位于下模，顶杆必须将锻件顶出到下模桥面以上，锻件才能脱模取出。这样顶料机构的顶出行程比开式锻造增加40mm 左右，顶杆有效长度也得相应加长，而圆柱顶杆直径只能做到φ8mm，强度不足，刚性下降。

⑶锻造过程中，顶杆装在模具内部，常规材料不能适应高温、高压的恶劣的工作环境。

⑷顶杆和模之间配合间隙过大，锻造中氧化皮、润滑剂等挤入间隙内，造成顶杆运动受阻。

仿形结构顶杆及模具设计

前期的试验结果和原因分析表明，常规圆柱顶杆不能满足活塞闭式锻造生产的要求，必须从下模及顶杆结构上创新设计。

⑴将活塞锻件销座凸台顶端R 角调整为尖角如图5 所示。

⑵活塞下模，沿着销座凸台外尖角位置，设计制作两个带台阶的顶杆孔如图6 所示，顶杆孔的上部分设置为导向段，其长度L2为20mm。下部分设计为尺寸较大的台阶孔，保证仿形组合顶杆上下运动。

⑶按销座凸台面尺寸，仿形设计制作顶杆如图7 所示。仿形设计的顶杆由顶杆本体和端头两部分组成，顶杆本体选用H13 材质，热处理硬度为48 ～52HRC；端头部分材质采用45#，热处理硬度为28 ～32HRC；顶杆本体和端头采用S7/h6 过盈配合，牢固可靠。

图5 凸台优化后实体模形

图6 活塞下模

⑷顶杆本体与下模顶杆孔之间为间隙配合，图6、图7 中H1/h1配合间隙为0.5mm，W1/w1配合间隙为0.3mm。保证锻造中顶杆沿着顶杆孔导向段自由滑动，模具型腔内残留的石墨乳、氧化皮能够从间隙流走。

新设计的仿形组合顶杆具有顶料可靠、寿命长等优点。端头截面大于顶杆本体截面，起到限位作用，防止顶杆随着锻件脱离下模型腔。仿形顶杆截面积是常规圆柱顶杆的4 倍以上，刚性加强，同等顶出压力顶杆承受的工作应力大大减小，顶杆寿命显著提高。仿形顶杆自重增加，顶料行程结束后，有利于顶杆准时回落到初始工作位置。

图7 仿形顶杆

图8 活塞锻件

结束语

新设计、制作的仿形组合顶杆与锻造模具在我公司应用于机器人锻造线，连续锻造活塞(图8)5000件以上，没有出现卡模及顶杆弯曲、断裂等情况。仿形组合顶杆适应高温高压，脱料可靠、变形量小、使用寿命长，适用于闭式、自动化锻造。