CN105014080A - 粉末注射成形活塞环的设计制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了粉末注射成形活塞环的设计制造方法，根据活塞环产品技术要求，设计活塞环的椭圆方程，给出自由开口间隙尺寸；利用计算机进行结构强度、应力应变、摩擦磨损工程分析；设计选用粉末材料、设计粉末与粘接剂配比，经混炼、造粒，制成注射用喂料；设计制造椭圆形活塞环注射成形模具；通过注射、脱脂、烧结和后处理制成三维椭圆形活塞环坯件；切割开口，产品透光、弹力与尺寸检验、性能测试、包装、交货或入库。本发明采用粉末注射成形技术和计算机辅助设计与工程分析，设计选用粉末材料、设计粉末与粘接剂配比；由于喂料颗粒均匀，所以活塞环组织更加均匀，改善了传统铸造工艺的不足，提高了活塞环的设计自由度，改善了活塞环的结构。

Description

粉末注射成形活塞环的设计制造方法

技术领域

本发明涉及内燃机、涡轮增压器、往复式机械与一般机械密封技术领域，尤其涉及一种粉末注射成形活塞环的设计制造方法。

背景技术

活塞环是内燃机以及往复式机械如压缩机等的关键零件，工作环境恶劣。内燃机活塞环一般分为气环与油环，气环主要密封燃气及润滑油，需要直接接触高温燃烧气体，在高温高压下与气缸套形成内燃机最重要的摩擦副、做相对往复摩擦运动，对内燃机热力气动性能与可靠性有重要影响，因此对其材料、形状与尺寸精度要求极为严格；油环主要起密封润滑油作用、工作温度较低。当活塞环应用在涡轮增压器上时，一般称为密封环。密封环是涡轮增压器的重要零件之一，依靠自身弹力涨紧在密封环槽中，涡轮端密封环一边密封高温燃气、另一边密封润滑油，并随转子轴轴向移动而作轴向移动，易失去弹性、过度磨损或腐蚀而导致失去密封作用，造成增压器漏气，漏油，直接影响增压器的可靠性。正因为如此，设计生产性能优越的内燃机气环、涡轮增压器涡轮端密封环等耐高温、耐摩擦、耐腐蚀的高要求活塞环（密封环，以下统称为活塞环）一直是活塞环行业努力的目标。内燃机油环与涡轮增压器压气机端密封环等主要采用钢带绕制工艺方法制造；内燃机气环与涡轮增压器涡轮端密封环一般采用铸造+机械加工方法制造，具体的方法有两种：

（1）正圆法（热定型法）：一般采用离心铸造工艺，浇铸出圆筒形多片、双片或单片活塞环毛坯，然后在普通车床上切削加工，切割成单环、铣出开口；再进行常规的车、铣、内外圆磨削，并分别进行热稳定、热定型、热固定等热处理，以使活塞环自由开口尺寸符合要求、保持工作状态（正圆）时活塞环具备设计弹力，确保活塞环既与气缸壁面贴合完整、起到密封作用，又保证活塞环与气缸壁面摩擦副运动阻力小、磨损小，以提高内燃机等机械效率。整体正圆法的基本思想是机械加工工序在活塞环的“正圆”状态下进行，因此机加设备均为普通的车、铣、磨设备，环的工作弹力主要依靠热处理工序获得。

（2）椭圆法（仿形、靠模法）：一般采用离心铸造工艺，浇铸出圆筒形多片、双片或单片活塞环毛坯，在普通车床上切削加工，切割成单环、铣出开口；然后在普通车床、磨床上进行靠模切削加工，或者在专用仿形车床、仿形磨床上进行“仿椭圆”加工，加工中可保持切口间隙为自由状态尺寸，活塞环为椭圆形状，一般再进行一次热处理即可。椭圆法的基本思想是加工中保持“椭圆”状态，这样就减少了多次热处理工序，尺寸精度较易控制，但是需要专用设备或“仿形、靠模”工装。离心铸造一般用于尺寸较大一些（如直径大于100mm）的活塞环筒体毛坯的生产；涡轮增压器活塞环一般尺寸≤50mm，直接浇注为圆柱形棒，再切割成片，采用正圆法进行加工。

众所周知，由于传统的“铸造+机械切削”工艺存在以下问题：一是通过铸造工艺生产的圆筒形毛坯，在机械加工后仍不可避免存在偏析、气孔、沙眼、宿松等缺陷；二是材料利用率低，一般全制造过程中铸造材料利用率不到50%，砂型铸造材料利用率在30%以下；三是椭圆形活塞环需要采用多种仿形机床（车、磨）和靠模，生产效率低，制造成本高；再是对于直径尺寸≤50mm的活塞环的毛坯不大适用离心铸造，而只得用模型浇注而成。针对上述这些问题，人们一直在努力探寻新的制造工艺、新的材料。专利“2004100377023、一种粉末冶金活塞环及生产方法”采用粉末冶金传统压制（Pressure Molding，PM）成形工艺生产铁基粉末活塞环，同时给出了成分组成，减少了部分机械加工工序，性能可望有所提高，但由于粉末及其压制成形工艺成本高于铸造成本，总成本并未有多少改善，因此采用压制工艺来制造活塞环也是难以推广应用。

发明内容

针对上述现有技术中活塞环制造生产存在的问题，本发明提供一种可大幅度提高材料利用率、提高产品性能与生产效率，可设计三维复杂形状的、自由状态下呈椭圆形状的活塞环，应用粉末注射成形技术直接成形，不需要专用设备或“仿形、靠模”工装、一般不需要热处理，只需进行少许磨削加工即可制成组织均匀、尺寸精度高的活塞环产品的粉末注射成形活塞环的设计制造方法。

本发明要解决的问题所采取的技术方案是：所述粉末注射成形活塞环的设计制造方法，它包括以下步骤：

（1）根据活塞环产品技术要求，设计自由状态下活塞环的椭圆方程，即给出活塞环二维或三维椭圆方程、给出自由开口间隙尺寸；

（2）利用计算机对所设计的椭圆形活塞环产品进行结构强度、应力应变、摩擦磨损进行计算机辅助设计与工程分析；

（3）根据椭圆形活塞环产品技术要求，设计选用粉末材料、设计粉末与粘接剂配比，经混炼、造粒，制成注射用喂料；

（4）考虑粉末注射成形工艺特点，设计制造椭圆形活塞环注射成形模具；

（5）采用粉末注射成形工艺：通过注射、脱脂、烧结和后处理制成三维椭圆形活塞环坯件；

（6）机械加工：切割开口，采用正圆法磨削活塞环外圆面，双面研磨椭圆形活塞环两端面；根据材料力学性能，确定是否进行热处理以便切削加工或满足表面硬度等要求；

（7）产品透光、弹力与尺寸检验、性能测试、包装、交货或入库。

所述椭圆形活塞环是指工作状态下为正圆环，自由状态下为三维椭圆形环的活塞环，所述活塞环横截面为矩形面、锥形面、梯形面、扭曲面和开槽面。

所述后处理主要是指喷丸处理、抛光处理和整形。

本发明与现有技术相比的不同之处是：

1、产品设计不同-----受生产技术的限制，根据传统工艺设计的产品结构简单，为了提高性能而提高产品的复杂程度需要付出高制造成本的代价。PIM技术由于喂料流动充型，模具设计和制作高度自由化，从而给产品设计带来了极大的变革，设计形式不再制约于工艺，设计自由度高，可以积极尝试各种设计形式，提高活塞环性能；

2、原材料不同----传统工艺内燃机活塞环主要是铸铁和钢，增压器活塞环主要为铬钼合金和合金钢，粉末注射成形技术原材料为粉末和粘接剂组成的喂料，因此理论上任何能制成粉末的物质都能成为PIM技术的原材料，大大提高了材料的选择性，尤其是特种用途的陶瓷活塞环、复合材料活塞环。因为陶瓷材料难以进行机械加工，因此可在粉末注射成形工艺精度许可范围内制造陶瓷活塞环，换句话说，采用粉末注射成形工艺制造活塞环产品、其精度无须再进行机械切削加工即能得到保证，其优势更加明显——因为现有机械加工工艺技术中唯有粉末注射成形技术成形的毛坯产品精度最高（高于精密铸造、传统压制成形粉末冶金、精密模锻等）；

3、粉末注射成形技术使用的金属模具,其寿命和工程塑料注射成形模具相当，一套模具可以使用几十万次，既保证了产品的一致性、重复性，又极大地提高了生产效率, 降低了生产成本；

4、成形工艺不同(与传统铸造工艺的主要区别)-----现有方法主要采用铸造工艺，铸造工艺固有的缩松、气孔、偏析等工艺缺陷不可避免。PIM工艺是一种压力流体成型工艺, 粘接剂的存在保障了粉末的均匀排布从而可消除毛坯微观组织上的不均匀, 进而使烧结制品密度达到其材料的理论密度，高的致密性可使强度增加，韧性加强，大大提高活塞环耐磨性；

5、粉末注射成形技术特别适合成型小尺寸（不超过200mm、重量小于500g）高度复杂结构（尤其是空间复杂三维曲面、特殊结构等）的零件, 利用注射机注射成型产品毛坯, 保证物料充分充满模具型腔, 也就保证了零件高复杂结构的实现制作，因此PIM技术生产复杂产品有独特的优势。活塞环的尺寸较小，工作面是复杂曲面（可能是非二次曲线椭圆），传统制造技术制造困难，成品率低，精度差；

6、后续加工不同：注射成形毛坯精度高，零件尺寸公差一般保持在±0.1% ～ ±0.3% 左右，制品形状接近或达到最终产品要求，一般不必进行二次加工或只需少量精加工，大大简化了后续加工步骤，因此特别适合机械加工困难或不能机械加工的零件。

本发明的优点

相比现有技术，1、本发明通过改变活塞环材料、制造工艺，提高了现有活塞环的使用性能，满足更高技术要求；2、大幅度提高材料利用率、一般可达到95%以上，而传统的铸造工艺材料利用率大约为30%，采用粉末注射成形生产的活塞环只许少量的后续精加工, 后续加工量远远少于传统工艺，减少了工艺流程，提了高生产效率，降低了成本；3、容易调整活塞环圆周径向弹力，从而适应内燃机要求，减轻活塞环与缸套摩擦磨损、提高内燃机可靠性与寿命；4、离心铸造时转速对性能影响很大，转速太高, 铸件表面就可能引起纵裂，太小则又不能保证成形，并且铸造是容易产生偏析等问题。粉末注射成形技术由于喂料颗粒均匀，所以活塞环组织更加均匀，改善了传统铸造工艺的不足，提高了活塞环的设计自由度，改善了活塞环的结构。

附图说明

图1是椭圆形活塞环工作状态下的形式，

图2是椭圆形活塞环自由状态下的形式，

图3是粉末注射成形生产活塞环工艺流程图。

在图中，1、内孔  2、外曲面    3、开口  4、内曲面。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面根据附图结合具体实施方式来进一步详细描述本发明。

粉末注射成形椭圆形活塞环的设计制造方法，它包括以下步骤：

（1）产品设计：根据三维椭圆形活塞环产品使用性能要求，设计三维椭圆方程、设计三维椭圆形活塞环自由开口间隙尺寸（如3、3.5、4、4.5、5mm），设计注射成形模具；

（2）计算机辅助工程分析：对所设计的三维椭圆形活塞环产品进行结构强度、应力应变、摩擦磨损的工程分析；

（3）选择或设计材料：根据工程分析和使用要求确定三维椭圆形活塞环材料组成为铁基粉末（如F0112J，烧结碳钢GB/T14667.1-93，含碳量0.4%～0.7%,其它小于1.5%，余量为铁），铁基粉末粒度为10～50μm；也可选用镍基粉末（如IN100）或不锈钢基粉末（如1Cr13、2Cr13、316L）；

（4）喂料制备：根据椭圆形活塞环材料，确定铁基粉末和粘接剂（由石蜡、高密度聚乙烯、聚丙烯等组成的粘接剂）重量百分比例，经混炼、造粒，制成注射用喂料；所述铁基粉末80wt%～85wt%和粘接剂15wt%～20wt%；

（5）采用常规的粉末注射成形工艺：通过注射、脱脂、烧结和后处理制成三维椭圆形活塞环坯件；

（6）机械加工：切割开口，磨削三维椭圆形活塞环外圆面、双面研磨三维椭圆形活塞环两端面；

（7）三维椭圆形活塞环产品透光、自由开口等尺寸检验、合格品包装入库。

所述混炼、注射、脱脂、烧结分别指：

a、混炼：将重量比为80wt%～85wt％的铁基粉末与15wt%～20wt％并由石蜡、高密度聚乙烯、聚丙烯和硬脂酸混合形成的粘接剂分别加入混炼机中并在150～200℃、转速30～45rpm的条件下混炼30min～60min制成喂料，

b、注射：在塑料模压成形机上于模压温度150～200℃、模压压力20～200MPa的条件下将喂料模压成形，得到椭圆形活塞环注射坯体，

c、脱脂：将注射坯体在有机溶剂中于40～60℃下浸泡2～4h；干燥后，再在分解氨气氛的保护下于200～600℃进行热脱脂，时间6～8h，

d、烧结：将脱脂的模压坯体在1300～1850℃温度下的真空烧结炉中烧结20～60min，得到形状、尺寸及精度均符合要求的叶片。

如图1所示为在工作状态下的活塞环，所述活塞环外曲面2为正圆，内曲面4为椭圆，开口间隙3；图2所示为自由状态下的活塞环，内外圆均为椭圆，自由状态下开口尺寸大于工作状态下开口尺寸；图3是中本发明工艺流程图。

以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照具体实施方式等对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求保护的范围当中。

Claims (1)

1. 粉末注射成形活塞环的设计制造方法，它包括以下步骤：

（1）根据活塞环产品技术要求，设计自由状态下活塞环的椭圆方程，即给出活塞环二维或三维椭圆方程、给出自由开口间隙尺寸；

（2）利用计算机对所设计的椭圆形活塞环产品进行结构强度、应力应变、摩擦磨损进行计算机辅助设计与工程分析；

（3）根据椭圆形活塞环产品技术要求，设计选用粉末材料、设计粉末与粘接剂配比，经混炼、造粒，制成注射用喂料；

（4）考虑粉末注射成形工艺特点，设计制造椭圆形活塞环注射成形模具；

（5）采用粉末注射成形工艺：通过注射、脱脂、烧结和后处理制成三维椭圆形活塞环坯件；

（6）机械加工：切割开口，采用正圆法磨削活塞环外圆面，双面研磨椭圆形活塞环两端面；根据材料力学性能，确定是否进行热处理以便切削加工或满足表面硬度等要求；

（7）产品透光、弹力与尺寸检验、性能测试、包装、交货或入库。