CN104209437B

CN104209437B - 高压共轨预锻模具

Info

Publication number: CN104209437B
Application number: CN201410442105.2A
Authority: CN
Inventors: 许崇霞; 冯德军; 雷跃峰
Original assignee: 许崇霞
Current assignee: Rizhao Polytechnic
Priority date: 2014-09-02
Filing date: 2014-09-02
Publication date: 2016-06-01
Anticipated expiration: 2034-09-02
Also published as: CN104209437A

Abstract

本发明涉及一种高压共轨预锻模具，所述预锻模具由预锻上模和预锻下模组成，预锻上模的底表面和预锻下模的上表面配合形成有构成轨体和多个配管的型腔，且轨体的型腔和配管的型腔相互连通；预锻上模的底表面上形成有阻料凸台，并且所述预锻下模的上表面上形成有与所述阻料凸台相配合的阻料凹槽，所述阻料凸台和阻料凹槽上分别形成有耐磨膜层。本发明所述的预锻模具不仅成本较低，而且能够充分利用自锁阻断坯料的能力，成品锻件的不良品率低于2500ppm，远低于预测的同行业6000ppm的平均水平；单位产品材料利用率由65～72%，提高到78～85%；节约了原材料，实现了节能减排的综合技术经济效果。

Description

高压共轨预锻模具

技术领域

本发明涉及发动机配件加工的技术领域，更具体地说，本发明涉及一种用于汽车发动机的高压共轨预锻模具。

背景技术

高压共轨系统极大地提高了汽车发动机的驾驶性能和排放性能，随着排放后处理技术和空燃比控制技术的进步，不再以牺牲发动机的高热效率为代价，对于实现节能降耗和环境保护具有重大意义。目前高压共轨系统已成为汽车行业发动机领域的核心技术之一。在我国，开始打破国外的技术垄断，逐步形成了自主的核心技术体系。

在共轨式发动机中，将称为共轨的配管设置在泵和喷射阀之间，在该共轨内蓄压从泵压送来的高压的燃料，从这里将燃料分配到各汽缸的喷射阀。在该共轨式的燃料喷射系统中，通过计算机，从低速区域到高速区域，对燃料喷射量或喷射的时机进行高精度的控制，与以往的柴油发动机相比，能够实现大幅度的排气清洁度、燃耗性能、输出的提高以及噪音、振动的减低的性能提高。为了应对日渐严格的尾气排放要求、以及为了安静性的改善、燃耗性能、输出的提高，在推进共轨式柴油发动机的高压喷射化的同时，对使用在共轨中的燃料喷射管要求有更高的耐压性。为此，我公司开发了一种高压共轨，该产品结构复杂，为细长杆体，上有八个凸台，锻造过程中细长杆体零件易变形，凸台端面不易填充，模腔内最深处氧化皮不易清除，锻造难度大。我公司按本类产品的几何特征，和现有生产技术工艺条件，先后采取了多种改进制坯、预锻等多种技术方法，但均因模具局部的凹槽很深导致坯料填充不足而难以达到设计和使用要求。

发明内容

为了解决现有技术中的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种增强坯料填充效果的高压共轨预锻模具。

为了解决发明所述的技术问题并实现发明目的，本发明采用了以下技术方案：

一种高压共轨预锻模具，所述预锻模具由预锻上模和预锻下模组成，所述预锻上模的底表面和预锻下模的上表面配合形成有构成轨体和多个配管的型腔，且所述轨体的型腔和配管的型腔相互连通；其特征在于：所述预锻上模的底表面上在所述配管的型腔的两端形成有阻料凸台，并且所述预锻下模的上表面上在所述配管的型腔的两端形成有与所述阻料凸台相配合的阻料凹槽，所述阻料凸台和所述阻料凹槽构成阻料结构；所述阻料凸台和阻料凹槽上分别形成有耐磨膜层。

其中，所述轨体型腔和配管型腔的表面粗糙度不高于。

其中，所述的预锻模具使用的材料为含硼模具钢，所述含硼模具钢的化学成分及其质量百分比为：C的含量为0.38~0.42wt%，Cr的含量为8.8~10.2wt%，Si的含量为0.35~0.40wt%，Mn的含量为0.75~0.90wt%，Mo的含量为0.35~0.40wt%，V的含量0.20~0.25wt%，Ni的含量为0.35~0.40wt%，B的含量为0.20~0.25wt%，N的含量为0.008~0.012wt%，P的含量≤0.030wt%，S的含量≤0.025wt%，余量为Fe和不可避免的杂质。

其中，所述的预锻模具经过以下热处理：将锻造后的预锻上模和预锻下模的锻件温度由不低于800℃急冷至500～520℃，时间长度为2.5分钟；然后将所述预锻上模和预锻下模放置于热处理炉内加热至1030~1050℃后，保温2小时；接着炉冷至850~880℃后保温2小时，然后在150~180℃的淬火硝盐炉中进行冷却，冷却时间为1.0~1.5小时，然后在空气中自然冷却至室温；最后将淬火后的预锻上模和预锻下模在加热炉内于550~600℃进行回火处理，处理时间为4~5小时，然后炉冷至100℃后出炉空冷即可。

其中，所述耐磨膜层的组成为Ti_1-a-bCr_aSi_bO_1-cN_c，其中：0.32≤a≤0.40，0.12≤b≤0.16，0.20≤c≤0.40；且所述耐磨膜层的膜层厚度为600~800nm。

其中，在CIELAB表色系统中，所述耐磨膜层的L*值为27~33，a*值为-18~-12，b*值为-40~-32。

其中，所述耐磨膜层的制备工艺为：以Ar为工作气体，流量为500~600sccm；靶材为Ti、Cr和Si的复合靶材，靶材的功率为15~18kW，对基体施加的偏压为-150~-250V，占空比为40%~60%，氮气的流量为20~25sccm，氧气的流量为35~40sccm。

与现有技术相比，本发明所述的高压共轨预锻模具具有以下有益效果：

本发明通过对高压共轨金属材料热流动性、模具内部型腔特征、热模锻机工作压力等关联理论分析，结合多次试验研究结果，圆满地解决了开发过程中存在的问题而完成了本发明。本发明已通过实例试验，证明具有新颖、实用、易于操作等效果，并且具有如下实效：

1．充分利用模具自锁阻断坯料的能力，显著增强了预锻的技术效果，成品锻件的不良品率低于2500ppm，远低于预测的同行业6000ppm的平均水平；

2.避免了因预锻聚料不足而导致锻件凸台产生缺材的致命缺陷，大幅度地降低了内部质量成本，例如降低了产品检测、质量返修返工成本；

3.因具有显著的锁料功能，降低了材料消耗，单位产品材料利用率由65～72%，提高到78～85%；节约了原材料，实现了节能减排的综合技术经济效果；

4.产品流线方向控制更加合理，状态优良，表面裂纹缺陷率低于1000ppm；产品表面粗糙度低，少或无明显的表面氧化麻坑等表面质量缺陷；

5.本发明所述的预锻模具合金元素加入量少，成本较低；另外本发明所述的预锻模具不仅强度和硬度高，而且强韧性和耐磨性好，预锻模具的使用寿命长。

附图说明

图1为现有技术的高压共轨预锻模具的结构示意图以及A-A截面的横截面结构示意图。

图2为本发明的高压共轨预锻模具的结构示意图以及A-A截面的横截面结构示意图。

图3为本发明模具的上模的结构示意图以及A-A截面的横截面结构示意图。

图4为本发明模具的下模的结构示意图以及A-A截面的横截面结构示意图。

图5为现有技术的高压共轨预锻模具填充效果的示意图。

图6为本发明的高压共轨预锻模具填充效果的示意图。

图7为实施例4以及比较例4中耐磨膜层磨损速率的对比示意图。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明所述的高压共轨预锻模具做进一步的阐述，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

本发明在如附图1所示出的预锻模具的设计基础上，在预锻上模1的下表面设计阻料凸台，在预锻下模2的上表面设计阻料凹槽从而形成如附图2所示的阻料结构。具体来说，高压共轨预锻模具，所述预锻模具由预锻上模和预锻下模组成，所述预锻上模的底表面和预锻下模的上表面配合形成有构成轨体和多个配管的型腔，且所述轨体的型腔和配管的型腔相互连通；其特征在于：所述预锻上模的底表面上在所述配管的型腔的两端形成有阻料凸台，并且所述预锻下模的上表面上在所述配管的型腔的两端形成有与所述阻料凸台相配合的阻料凹槽，所述阻料凸台和所述阻料凹槽构成阻料结构；所述阻料凸台和阻料凹槽上分别形成有耐磨膜层。这样在模具的闭合过程中，能够强大的锁料能力，促使材料向工件模腔增强填充能力。如附图3所示，在预锻上模原设计基础上，增加阻料凸台，分析金属材料热流动性、模具内部型腔特征、热模锻机工作压力等关联特性，通过模拟预锻状态情况，确定相对于工件模腔的位置，确定凸台的长度、宽度、高度和外圆角；这些参数值可以通过计算机模拟计算得到，而且可以根据实际的情形做出相应的调整。如附图4所示，在预锻下模原设计基础上，增加阻料凹槽，分析金属材料热流动性、模具内部型腔特征、热模锻机工作压力等关联特性，通过模拟预锻状态情况，确定相对于工件模腔的位置，确定凹槽的长度、宽度、深度和外圆角。其中，所述凹槽在长度方向上，取凸台所对应的尺寸长度两端各加5mm，以能够均匀包容模具上模最外处的凸台为准。而凸台设计在上模，凹槽设计在下模，便于工人操作方便，配合间隙0.1～0.15mm。使用数控加工模具，使得所述轨体型腔和配管型腔的表面粗糙度不高于，表面光洁度好。总之，本发明所述的高压共轨预锻模具有效地实现了坯料内部聚集，为终锻成型创造了有利条件；而最终本发明与现有技术相比，预锻模的填充效果对比可以由图5以及图6的对比给出。

实施例1

在本实施例中，预锻模具使用的材料为含硼模具钢，所述含硼模具钢的化学成分及其质量百分比为：C的含量为0.38wt%，Cr的含量为8.8wt%，Si的含量为0.40wt%，Mn的含量为0.75wt%，Mo的含量为0.40wt%，V的含量0.20wt%，Ni的含量为0.40wt%，N的含量为0.012wt%，B的含量为0.25wt%，P的含量≤0.030wt%，S的含量≤0.025wt%，余量为Fe和不可避免的杂质。所述的预锻模具经过以下热处理：将锻造后的预锻上模和预锻下模的锻件温度由不低于800℃急冷至500℃，时间长度为2.5分钟；然后将所述预锻上模和预锻下模放置于热处理炉内加热至1050℃后，保温2小时；接着炉冷至850℃后保温2小时，然后在150~180℃的淬火硝盐炉中进行冷却，冷却时间为1.0小时，然后在空气中自然冷却至室温；最后将淬火后的预锻上模和预锻下模在加热炉内于600℃进行回火处理，处理时间为5小时，然后炉冷至100℃后出炉空冷即可。

实施例2

在本实施例中，预锻模具使用的材料为含硼模具钢，所述含硼模具钢的化学成分及其质量百分比为：C的含量为0.42wt%，Cr的含量为10.2wt%，Si的含量为0.35wt%，Mn的含量为0.90wt%，Mo的含量为0.35wt%，V的含量0.20wt%，Ni的含量为0.35wt%，N的含量为0.008wt%，B的含量为0.20wt%，P的含量≤0.030wt%，S的含量≤0.025wt%，余量为Fe和不可避免的杂质。所述的预锻模具经过以下热处理：将锻造后的预锻上模和预锻下模的锻件温度由不低于800℃急冷至500℃，时间长度为2.5分钟；然后将所述预锻上模和预锻下模放置于热处理炉内加热至1050℃后，保温2小时；接着炉冷至850℃后保温2小时，然后在150~180℃的淬火硝盐炉中进行冷却，冷却时间为1.0小时，然后在空气中自然冷却至室温；最后将淬火后的预锻上模和预锻下模在加热炉内于600℃进行回火处理，处理时间为5小时，然后炉冷至100℃后出炉空冷即可。

实施例3

在本实施例中，预锻模具使用的材料为含硼模具钢，所述含硼模具钢的化学成分及其质量百分比为：C的含量为0.40wt%，Cr的含量为9.5wt%，Si的含量为0.36wt%，Mn的含量为0.87wt%，Mo的含量为0.38wt%，V的含量0.23wt%，Ni的含量为0.38wt%，N的含量为0.010wt%，B的含量为0.22wt%，P的含量≤0.030wt%，S的含量≤0.025wt%，余量为Fe和不可避免的杂质。所述的预锻模具经过以下热处理：将锻造后的预锻上模和预锻下模的锻件温度由不低于800℃急冷至500℃，时间长度为2.5分钟；然后将所述预锻上模和预锻下模放置于热处理炉内加热至1050℃后，保温2小时；接着炉冷至850℃后保温2小时，然后在150~180℃的淬火硝盐炉中进行冷却，冷却时间为1.0小时，然后在空气中自然冷却至室温；最后将淬火后的预锻上模和预锻下模在加热炉内于600℃进行回火处理，处理时间为5小时，然后炉冷至100℃后出炉空冷即可。

比较例1

在本比较例中，预锻模具使用的材料为含硼模具钢，所述含硼模具钢的化学成分及其质量百分比为：C的含量为0.42wt%，Cr的含量为10.2wt%，Si的含量为0.35wt%，Mn的含量为0.90wt%，Mo的含量为0.35wt%，V的含量0.20wt%，Ni的含量为0.35wt%，N的含量为0.008wt%，B的含量为0.20wt%，P的含量≤0.030wt%，S的含量≤0.025wt%，余量为Fe和不可避免的杂质。所述的预锻模具经过以下热处理：将锻造后的预锻上模和预锻下模的锻件温度由不低于800℃空冷至室温；然后将所述预锻上模和预锻下模放置于热处理炉内加热至850℃，保温2个小时，然后升温至1050℃后，保温2小时；然后在150~180℃的淬火硝盐炉中进行冷却，冷却时间为2.0小时，然后在空气中自然冷却至150℃；最后将淬火后的预锻上模和预锻下模在加热炉内于600℃进行回火处理，处理时间为6小时，然后炉冷至100℃后出炉空冷即可。

比较例2

在本比较例中，预锻模具使用的材料为含硼模具钢，所述含硼模具钢的化学成分及其质量百分比为：C的含量为0.42wt%，Cr的含量为5.20wt%，Si的含量为1.05wt%，Mn的含量为0.36wt%，Mo的含量为1.50wt%，V的含量1.08wt%，P的含量≤0.030wt%，S的含量≤0.025wt%，余量为Fe和不可避免的杂质。所述的预锻模具经过以下热处理：将锻造后的预锻上模和预锻下模的锻件温度由不低于800℃空冷至室温；然后将所述预锻上模和预锻下模放置于热处理炉内加热至850℃，保温2个小时，然后升温至1050℃后，保温2小时；然后在150~180℃的淬火硝盐炉中进行冷却，冷却时间为2.0小时，然后在空气中自然冷却至150℃；最后将淬火后的预锻上模和预锻下模在加热炉内于600℃进行回火处理，处理时间为6小时，然后炉冷至100℃后出炉空冷即可。

比较例3

在本比较例中，预锻模具使用的材料为含硼模具钢，所述含硼模具钢的化学成分及其质量百分比为：C的含量为0.42wt%，Cr的含量为2.3wt%，Si的含量为0.35wt%，Mn的含量为0.90wt%，Mo的含量为0.50wt%，Nb的含量0.16wt%，Ni的含量为0.35wt%，Al的含量为0.80wt%，B的含量为1.20wt%，P的含量≤0.030wt%，S的含量≤0.025wt%，余量为Fe和不可避免的杂质。所述的预锻模具经过以下热处理：将锻造后的预锻上模和预锻下模的锻件温度由不低于800℃空冷至500℃，然后在热处理炉中升温至550℃，保温4小时；然后将所述预锻上模和预锻下模放置于热处理炉内加热至1020℃后，保温8小时，然后风冷至400℃；然后加热至650℃，保温5小时；然后加热到820℃，保温10小时，然后冷却至650℃，保温4个小时，然后随炉冷却至200℃以下，空冷即可。

实施例1~3以及比较例1~3预锻模具模具钢的力学性能如下：

表1预锻模具模具钢的力学性能

实施例4

在本实施例中，所述阻料凸台和阻料凹槽上分别形成有彩色的耐磨膜层，所述耐磨膜层的组成为Ti_1-a-bCr_aSi_bO_1-cN_c，其中：0.32≤a≤0.40，0.12≤b≤0.16，0.20≤c≤0.40；且所述耐磨膜层的膜层厚度为600~800nm，所述耐磨膜层的制备工艺为：以Ar为工作气体，流量为500~600sccm；靶材为Ti、Cr和Si的复合靶材，靶材的功率为15~18kW，对基体施加的偏压为-150~-250V，占空比为40%~60%，氮气的流量为20~25sccm，氧气的流量为35~40sccm。在CIELAB表色系统中，所述耐磨膜层的L*值为27~33，a*值为-18~-12，b*值为-40~-32。其中得到的各种耐磨膜层的组成以及对应的CIELAB颜色如表2所示：

表2

其中，所述元素组成通过EDS方法制备得到。

比较例4

在本比较例中，同样采用反应磁控溅射方法，通过调整靶材的组成，以及反应气体的流量得到了如表3所示的对比样，膜层厚度同样为600~800nm。

表3

其中，所述元素组成通过EDS方法制备得到。

由实施例4和对比例4的比较可以看出，通过在耐磨膜层中添加适量的Si，能够得到醒目的蓝色耐磨膜层，这种醒目的颜色非常有利于凸台和凹槽的对齐；而且所述颜色在高温操作条件下能够长久保持。另外更加出人预料的是，实施例4试样所述的耐磨膜层的耐磨性能还要显著优于比较例4对比样。结果如图7所示。

对于本领域的普通技术人员而言，具体实施例只是对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高压共轨预锻模具，所述预锻模具由预锻上模和预锻下模组成，所述预锻上模的底表面和预锻下模的上表面配合形成有构成轨体和多个配管的型腔，且所述轨体的型腔和配管的型腔相互连通；其特征在于：所述预锻上模的底表面上在所述配管的型腔的两端形成有阻料凸台，并且所述预锻下模的上表面上在所述配管的型腔的两端形成有与所述阻料凸台相配合的阻料凹槽，所述阻料凸台和所述阻料凹槽构成阻料结构；所述阻料凸台和阻料凹槽上分别形成有耐磨膜层；所述的预锻模具使用的材料为含硼模具钢，所述含硼模具钢的化学成分及其重量百分比为：C的含量为0.38~0.42wt%，Cr的含量为8.8~10.2wt%，Si的含量为0.35~0.40wt%，Mn的含量为0.75~0.90wt%，Mo的含量为0.35~0.40wt%，V的含量0.20~0.25wt%，Ni的含量为0.35~0.40wt%，B的含量为0.20~0.25wt%，N的含量为0.008~0.012wt%，P的含量≤0.030wt%，S的含量≤0.025wt%，余量为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的高压共轨预锻模具，其特征在于：所述轨体和多个配管的型腔的表面粗糙度不高于。

3.根据权利要求1所述的高压共轨预锻模具，其特征在于：所述的预锻模具经过以下热处理：将锻造后的预锻上模和预锻下模的锻件温度由不低于800℃急冷至500～520℃，时间长度为2.5分钟；然后将所述预锻上模和预锻下模放置于热处理炉内加热至1030~1050℃后，保温2小时；接着炉冷至850~880℃后保温2小时，然后在150~180℃的淬火硝盐炉中进行冷却，冷却时间为1.0~1.5小时，然后在空气中自然冷却至室温；最后将淬火后的预锻上模和预锻下模在加热炉内于550~600℃进行回火处理，处理时间为4~5小时，然后炉冷至100℃后出炉空冷即可。

4.根据权利要求1所述的高压共轨预锻模具，其特征在于：所述耐磨膜层的元素组成为Ti_1-a-bCr_aSi_bO_1-cN_c，其中：0.32≤a≤0.40，0.12≤b≤0.16，0.20≤c≤0.40；且所述耐磨膜层的膜层厚度为600~800nm。

5.根据权利要求1所述的高压共轨预锻模具，其特征在于：所述耐磨膜层通过反应磁控溅射方法制备得到。

6.根据权利要求4所述的高压共轨预锻模具，其特征在于：在CIELAB表色系统中，所述耐磨膜层的L*值为27~33，a*值为-18~-12，b*值为-40~-32。

7.根据权利要求4所述的高压共轨预锻模具，其特征在于：所述耐磨膜层的制备工艺为：以Ar为工作气体，流量为500~600sccm；靶材为Ti、Cr和Si的复合靶材，靶材的功率为15~18kW，对基体施加的偏压为-150~-250V，占空比为40%~60%，氮气的流量为20~25sccm，氧气的流量为35~40sccm。