柴油機關鍵件精密成形工藝研究

王東軍,郭巨壽,張雪冬,于霞,王斌,康鳳

(1.海軍駐大同地區(qū)軍事代表室,山西大同037036;2.北方通用動力集團有限公司,山西大同037036;3.西南技術工程研究所,重慶400039)

柴油機關鍵件精密成形工藝研究

王東軍1,郭巨壽2,張雪冬2,于霞2,王斌2,康鳳3

(1.海軍駐大同地區(qū)軍事代表室,山西大同037036;2.北方通用動力集團有限公司,山西大同037036;3.西南技術工程研究所,重慶400039)

目的 提高柴油發(fā)動機關鍵件泵體鑄改鍛后的綜合機械性能,采用精密成形技術來實現泵體的組織和性能的一致性控制。方法 首先通過工藝分析,設計了鍛件的形狀及其分模方式,建立了鍛件的三維實體模型;再根據其工藝方式,設計了模具結構及工藝路線,并對預制坯形狀進行了設計。結果 經過工藝試制,泵體鍛件充型飽滿,缺陷得到克服,尺寸精度達到了技術要求,泵體的流線連續(xù),晶粒度達8級,經鑄改鍛后性能得到了大幅提升。結論 通過工藝實驗,分析了成形中缺陷產生的原因和控制方法,優(yōu)化了預制坯設計以及成形關鍵工藝參數,為確定最終精密成形工藝提供了依據。

柴油機;關鍵件;鑄改鍛;性能;優(yōu)化

柴油發(fā)動機中的關鍵零部件泵體,在高溫、高速、復雜應力的環(huán)境下工作,是發(fā)動機燃油噴射系統(tǒng)中的易損件,材質多為合金結構鋼,要求具備高溫強度、高溫耐磨性、抗疲勞性能和抗腐蝕等性能[1—3]。由于泵體原采用金屬型鑄造工藝制造,其力學性能特別是耐疲勞和抗沖擊性能仍比較低[4],對于發(fā)動機的工作環(huán)境來說,雖然工藝上增加了加強筋等手段進行強度、剛度保障,但仍不能滿足其服役要求,為了進一步增強泵體的性能,現工藝要求采用精密熱模鍛技術進行改性[5—6],在外形結構基本不變的前提下,保持部分型面不加工,內部流線連續(xù),調質處理后組織晶粒度達到8級,以提高泵體的服役性能。

1 工藝設計

圖1為泵體的零件圖,其外形結構復雜,所選材料為合金結構鋼40CrMnMo,兩側的凸筋僅寬10 mm,是原鑄造工藝設計的加強筋,兩側還有對稱分布的凸耳,且上、下主體形狀的中心軸線偏心距達7 mm,這對機械加工來說的難度較大,因此工藝上需要保證上半部分的結構基本達到外形,特別是兩個凸耳和側面的兩個窄筋外形達到不加工的狀態(tài)。另一方面,為了在性能上較鑄造工藝有進一步的提高,零件的整體流線分布設計在工作時的主要承力方向[7],即縱向;同時還要避免成形時流線在零件內部形成穿流、渦流、亂流,以及在機械加工時被大面積切斷和露頭[8]。為了滿足這些技術條件,泵體的整體工藝難度大幅增加,成形時的主要分模方式、坯料預先的聚料形狀、工藝步驟等都十分重要。

圖1 泵體零件Fig.1 Pump body

針對零件的這種特殊的工藝技術要求,鍛件的形狀設計如圖2所示,由于底部的凸臺高度較高,不易充型,因此鍛件設計將底端直徑60 mm的圓臺高度增加5 mm,保證頂部的凸臺充型完全;兩側的凸耳、窄筋按照零件圖的尺寸設計,拔模斜度在0.5°以內,大頭端的圓弧段和直面不再設計拔模斜度。鍛件整體分模形式如圖3所示,為縱向分模,分模面設計在上模腔,以保證上半部分的形狀金屬充分流動,充填模腔;下半部分的形狀由于預留了加工余量,拔模斜度設計為5°,以緩解模具受力和方便頂出工件[9]。由于縱向分模形式和小拔模斜度,型腔尺寸較深,整體工藝難度大,對模具的受力是很大的考驗。

圖2 泵體鍛件 Fig.2 Forging of pump body

圖3 鍛件分模形式Fig.3 Parting surface of the forging

2 模具結構設計

根據泵體鍛件的工藝分析,模具結構設計如圖4所示。

圖4 泵體熱鍛成形模Fig.4 Hot die forging of the pump body

在圖4所示的模具結構中,鍛件的復雜大端形狀設置在下模腔,一是方便坯料的定位,二是由于大端的整體形狀拔模斜度小,型腔深,若在上模則容易卡模,不易出料[10],而在下模則有頂料機構,脫模時有頂出力協(xié)助出料,而上模腔拔模斜度為5°,可直接由重力脫模;而另一方面,由于下模型腔深且基本沒有拔模斜度,模具熱磨損嚴重,這樣的結構設計對模具壽命來說是非常不利的[11—12]。因此,在模具熱處理和表面處理上要有進一步的保障措施跟進[13],文中上、下模芯采用的“等溫球化退火+雙重循環(huán)淬火+回火”熱處理工藝和“碳氮共滲+C、Ti雙離子注入”的復合表面強化工藝[14]。

3 工藝試驗

根據工藝設計,對泵體進行了精密成形工藝試驗,成形主體設備為1000 t螺旋壓力機,預成形主要設備為75 kg空氣錘。試驗輔助工裝有:中頻感應加熱爐、潤滑劑噴涂槍、切邊壓機、拋丸機。該件的主要工藝流程為:數控鋸料→加熱→鐓頭→拍扁→潤滑→終成形→切邊→打磨→噴丸→檢驗→入庫。本文主要針對終成形工步進行分析。終成形開始前,模具采用氧乙炔進行加溫,避免冷模效應[15],試驗始鍛溫度1100℃,潤滑劑為水基石墨,將坯料放入空氣錘,采用限位塊和側擋塊,鍛打出一端為扁料,一端為棒料的預制坯,再將扁料的一端放入終成形下模腔,先用400 t的打擊力進行預鍛和對中,再用1000 t的力最終擊打完成終鍛,如圖5所示。

圖5 泵體終成形Fig.5 Engineering test of the pump body

在初始試驗中,在其中的一側凸耳的位置出現了折疊的缺陷(如圖6所示),由于折疊缺陷只在單側出現,且折疊不深,經分析,是坯料在放入模腔時定位不準,出現了些許傾斜,由于傾斜導致了上模的刮料而堆積在側耳上形成的折疊。為了解決這一問題,將坯料上原來的定位倒角進行了增大,角度增大到了15°,長度增加到了30 mm,使鍛打時上模對芯的空間增大,解決了這一缺陷。

在小批量試制中,發(fā)現在泵體的2個凸筋的頂端,有部分充不滿的現象發(fā)生,如圖7所示。出現這種缺陷的鍛件占到總體鍛件的50%左右,以熱精鍛傳統(tǒng)90%的良品率來算,大大影響了產品的合格率[7]。經分析,這是由于鍛件上凸筋原來是按照鑄件形狀設計規(guī)則,尺寸太窄,寬度方向僅10 mm,且深度達到25 mm,這對熱鍛件來說本身就是一個充型難題,為了解決這一缺陷,需要改善材料的流動環(huán)境,促使金屬在成形時流入凸筋頂端,因此將模具型腔的凸筋底部的圓角增大,尺寸按照鍛件設計的R4～R6 mm尺寸中取最大尺寸R6 mm,同時將大頭部分的坯料體積稍加大,使鍛打時鍛件的下部分結構有更多的金屬流動。

圖6 泵體折疊缺陷Fig.6 Folding defect on the pump body

圖7 泵體凸筋頂部充型不滿Fig.7 Collapse defect on the pump body

泵體終鍛成品如圖8所示,可以看出,鍛件充型飽滿,側面的凸耳和窄筋均充型完全,經尺寸檢測,滿足產品的技術要求,泵體的流線連續(xù),晶粒度達8級。鍛件切邊帶位于大端分模面處,對鍛件的整體流線連續(xù)沒有影響,因此對工藝對產品的性能提升有較大的作用。

圖8 泵體終鍛產品Fig.8 Final forged pump body

4 結論

采用縱向分模的方式,可以使鍛件整體流線基本不受切邊和機械加工的影響,對柴油發(fā)動機關鍵件泵體鑄改鍛后的綜合機械性能有較大的提升。但這樣的工藝方式對泵體的模具壽命、整體工藝難度都有很大的影響,因此,做好預成形的聚料分配,有助于金屬在模腔中的順利流動,特別是窄筋、凸角等難充型的部位,對模具進行特別的熱處理以及對模具中圓角加大、導入角加長等細節(jié)結構進行優(yōu)化設計,能夠很好的解決這些技術難題。

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Precision Form ing of the Critical Part Used for Diesel Engine

WANG Dong-jun1,GUO Ju-shou2,ZHANG Xue-dong2,YU Xia2,WANG Bin2,KANG Feng3
(1.Navy in Datong Military Representative Office,Datong 037036,China; 2.Northern General Dynamics Group Company,Datong 037036,China; 3.Southwest Technology and Engineering Research Institute,Chongqing 400039,China)

In order to improve themechanical properties of the pump body used for diesel engine by forging instead of casting,precision forming technology was used to realize consistency control of the organization and the performance of the pump body.Firstly,after the analysis of the technology,the forging shape and mode was designed,and the 3D model of the forging was built.According to the processing technology,themould structure and the processing pathway aswell as the pre-prepared blank were designed.After the trial process,the pump forgingswere fully filled,the defectswere overcome, and the size accuracymet the technical requirements very well,the streamline was continuous,the grain sizewas achieved to grade 8.In summary,the performance of the pump had been greatly improved by forging.By the process test,the causes and controlmethods of forming defectswere analyzed,the pre-preparation design and key forming parameterswere also optimized,which provided valuable basis for determining the final precision forming process.

diesel engine;critical part;change of casting to forging;performance;optimization

10.3969/j.issn.1674-6457.2015.04.018

TG142.1

:A

:1674-6457(2015)04-0084-04

2015-05-10

總裝預研項目(51318040306)

王東軍(1979—),男,河北豐潤人,工程師,主要從事柴油發(fā)動機設計與制造研究。