CN106077574A - 钢质内冷活塞的制造方法及其模具 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钢质内冷活塞的制造方法及其模具。该模具主要包括：上模、中模、抽芯机构和下模，上模包括上模体、上模顶板和裙腔芯、清理推板、清理杆、斜导柱，上模顶板的中央设置有安放清理推板的圆形凹坑，与上模体接触的下平面上开有排气道；中模包括中模体和中模套两部分，中模体由垂直分模的左半模、右半模组成，用来形成活塞的外形；抽芯机构包括抽芯油缸、销孔芯和安装结构；下模包括料腔、下模板、支撑板、水平滑道和压头。本发明实施例的钢质内冷活塞毛坯的制造方法使用外形与内冷腔相同的芯形成内冷腔，采用液态模锻技术进行毛坯成形，既能有效提高材料利用率和制造效率，又能确保组织性能。

Description

钢质内冷活塞的制造方法及其模具

技术领域

本发明涉及活塞制造技术领域，尤其涉及一种钢质内冷活塞的制造方法及其模具。

背景技术

钢质内冷活塞是用于重型卡车发动机上的关键零件，其特点有两点，一是材质为中碳热作模具钢，二是在燃烧室周边设置有一个环形通道，其内充满冷却介质进行冷却。它比铝合金活塞具有更高的使用寿命，是活塞发展的方向之一。目前钢质内冷活塞的毛坯成形技术包括铸造、整体模锻和锻焊三种，其中铸造钢质内冷活塞的毛坯形状和尺寸最接近成品，是采用砂芯或盐芯形成内冷腔，采用砂型铸造方法成形。为了得到致密的活塞，生产过程必须使用大的冒口来补缩，导致材料利用率不足60％；整体模锻钢质内冷活塞的毛坯与成品形状差距很大，没有内冷腔、销孔、顶部与裙部之间的环沟等结构，需要后续机械加工来获得这些结构，材料利用率不足40％；锻焊结合的钢质内冷活塞毛坯由裙部和头部两部分组成，其分界线位于内冷腔的最大截面处。头部毛坯是一个圆饼形锻件，需要利用切削加工方法加工出内冷腔；裙部毛坯形状与活塞整体末端的裙部相似，采用去除加工方法将头部和裙部的分界面加工为平面后，采用摩擦压力焊或激光焊将头部和裙部焊接在一起，得到整体毛坯。这种毛坯在内冷腔内会残留焊接形成的飞边，其高度一般在3-5mm范围，这种飞边的存在会在一定程度上降低冷却效果。此外，这种毛坯的制造方法工序多，成本高，焊缝附近的热影响区容易出现微裂纹，直接影响使用寿命。

现有技术中，利用液态模锻或挤压铸造技术制备铝合金活塞的报道和实例很多。《特种铸造及有色合金》第31卷第11期公开了程先军研究190型Al-Si活塞挤压铸造(即液态模锻)的工艺方法，该方法的技术特征包括：裙部在上，上部加压，底部二次加压，上部加压压力为71.3～79.2MPa，底部加压压力15.2-16.2MPa，加压开始时间不超过60s.加压速度为0.004～0.006m/s，保压时间为110～130秒。其步骤是：将定量(12.6+0.5)kg的铝液(温度为700—710℃)倒入金属外模中，扒渣后，油压机上缸下行，芯模对铝液进行加压，上缸压力为18—20MPa。压力到最大时开始计时，10～15s后底缸开始加压，其压力为20.22MPa，保压时间为110～130s。保压完毕后即可拆模取出活塞铸件。为了防止模温过高，当上缸压力到18～20MPa时开始通水冷却至脱模为止。该方法的缺点为：这种成形方法加压过程压力损失大，难以获得致密活塞，无法用于钢质内冷活塞。

现有技术还公开了景德镇景航锻铸有限责任公司江志明进行铝合金活塞的液态模锻的文章，该方法的技术特征包括：采用凹凸模结构的直接液锻方式。凹模下半部设计脱模轴销式，脱模方式采用轴销退件机构，并采用斜锲以实现轴销的锁紧和退出：设置反压装置，通过凹模底部20个矩形弹簧，将凹模托起7～8mm，当压制时，凸模和凹模一起下压，压缩弹簧，使凹模和凹模镶块产生相对移动，对制件厚壁处实现有效反压作用，达到改善组织的目的；采用顶杆直接顶顶块使液锻件和凹模脱离。其中反压弹簧很关键，采用的是专用大弹力弹簧，20个弹簧均匀的圆周分布在下模座上。其它所有模具结构都要通过强度校核和安装定位方式的确定，从而保证模具的正常工作。该方法的缺点为：这种模具结构复杂，且无法解决压力损耗大和厚壁处存在缩松缺陷的问题；

申请号为200320106374.9的实用新型公开了一种复杂铝合金组合式液态模锻的模具，它有底模安装在下模座上，下模座安装在下模垫板上，下模座上面有凹模中圈，凹模中圈内侧有组合凹模、外侧有凹模外圈，凹模外圈与下垫板固定在一起，底模下面有顶杆，组合凹模上面有与其对应的上压头，上压头上部通过固定圈固定在上垫板上，组合凹模、凹模中圈、凹模外圈上有销芯通过接头与销芯油缸上的活塞杆连接在一起。这种模具只适用于铝合金活塞。

内燃机2006年第3期公开了铝活塞挤压铸造(即液态模锻)的技术现状，但未涉及钢质活塞的液态模锻。《特种铸造及有色合金》2005年挤压铸造、半固态加工学术年会专刊公开了李敏华等压缩机铝活塞挤压铸造的模具，虽然采用了斜导柱结构，但其作用仅是用来抽出销孔芯。

上述相关文献和专利，均只是针对铝合金活塞进行的，未见针对钢质液态模锻的报道，也未见有内冷腔活塞液态模锻的报道。钢质内冷活塞液态模锻有很多技术难点：如模具结构和材料如何适应钢液的高温作用，内冷腔如何形成，如何确保燃烧室的组织性能优越，如何高效率地制备等。

发明内容

本发明的实施例提供了一种钢质内冷活塞的制造方法及其模具，以实现有效地制作液态模锻的钢质内冷活塞。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

根据本发明的一个方面，提供了一种钢质内冷活塞的制造模具，包括：上模、中模、抽芯机构和下模，所述上模包括上模体、上模顶板和裙腔芯、清理推板、清理杆、斜导柱，所述上模顶板的中央设置有安放清理推板的圆形凹坑，与上模体接触的下平面上开有排气道；所述中模包括中模体和中模套两部分，所述的中模体由垂直分模的左半模、右半模组成，用来形成活塞的外形；所述抽芯机构包括抽芯油缸、销孔芯和安装结构；所述的下模包括料腔、下模板、支撑板、水平滑道和压头，所述下模板用来将下模安装在工作台上，并通过支撑板与水平滑道连接在一起。

进一步地，所述的裙腔芯用模具钢制成，与上模顶板同轴，采用沉头螺钉与上模顶板连接牢固，所述的裙腔芯上设置有内冷腔芯芯头插入的两个锥形孔，锥孔深40-100mm，锥度与内冷腔芯芯头一致；锥形孔上方为圆柱形通孔，清理杆插入圆柱形通孔的内部，并上下运动；所述的裙腔芯的侧面留有与销孔芯接触的圆坑。

进一步地，所述清理推板的厚度为15-30mm，直径比内冷腔芯直径大10-20mm，所述清理推板由弹簧支撑，所述清理杆垂直安装在清理推板的下方；所述上模体的上面为平面，下面为中央设有斜度为5-10°的圆坑的台阶面，所述圆坑的底面直径与所述下模体的上沿直径一致，圆坑深度5-30mm，中央设有安装裙腔芯的通孔。

进一步地，所述的上模套设有安装斜导柱的斜孔，该斜孔的内径与所述上模体的外径相一致，采用H7/h6的间隙配合，防止上模体开裂；所述斜导柱的数量为2个或4个，采用对称分布，直径15-40mm，斜度5-15°，安装在上模套的斜孔内。

进一步地，所述的销孔芯用模具钢制成，前端带过渡圆角，尾端带有与油缸活塞杆链接的内螺纹，水平安装在抽芯油缸的活塞端部，在抽芯油缸带动下水平推进和后退；所述的抽芯油缸是两个水平安装的活塞缸，所述的安装结构是用钢制成的支座，将抽芯油缸与安装平台连接在一起。

进一步地，所述中模体的左右半模的上部均设有一段圆台，该圆台的直径、高度和锥度与上模体上中央圆坑的直径、高度和锥度对应一致，该圆台的下部为光滑平面，内壁与活塞的外形一致，通过压板和螺钉与中模套固定在一起，随着中模套做水平运动。

进一步地，所述在活塞的销孔所在的高度上设置有销孔芯通过的通孔，与销孔芯之间为间隙配合，配合间隙0.10-0.25mm，所述的中模套上下面均为光滑平面，在对应位置设置有斜导柱和销孔芯通过的通孔，下部设置有燕尾凸台，安装在燕尾槽内，沿水平方向左右运动，运动行程20-100mm。

进一步地，所述的料腔为圆筒形，直径为90-150mm，内孔与压头之间为间隙配合，配合间隙0.15-0.30mm，容积为活塞毛坯体积的1.1-1.3倍，用模具钢制成，厚度为30-60mm；所述的水平滑道上安装有燕尾槽；所述的压头用热作模具钢制成，上平面带有与燃烧室内腔相一致的凸起，外径与活塞毛坯外径相同，带有50mm的密封段和30mm的导向段，导向段和密封段间设置有宽度1-3mm的润滑环槽，下端设置有内螺纹与加压油缸活塞连接。

进一步地，所述中模的内腔与活塞的外轮廓一致，其尺寸等于对应活塞毛坯外轮廓尺寸加上0.8-1.5％的收缩量。所述下模其内腔为料腔，储放金属液，所述裙腔芯用来成型活塞的裙腔，其尺寸等于活塞裙腔毛坯尺寸减去0.8-1.5％的收缩量。

根据本发明的另一个方面，提供了一种钢质内冷活塞的制造方法，包括：

第一步，喷涂料：将模具上模与中模及下模分开，将成形压头退回至料腔下部的设定位置，使成形压头与料腔形成的圆孔的容积等于活塞毛坯体积的1.1-1.3倍，对模具的上下模腔表面喷涂涂料；

第二步，安芯：将预热温度在180-250℃的内冷腔芯的芯头插入裙腔芯对应的锥形芯座孔内；

第三步，浇注钢液：将温度高于活塞用钢液相线温度30-100℃、体积等于活塞毛坯体积1.05-1.15倍的钢液在氮气保护下浇入下模中央的料腔内；

第四步，模具闭合、液锻成形：在浇注完毕后设定时间内，将上模下行，同时通过斜导柱使中模的左右半模向中央运动至闭合，上模板的圆形凹坑与中模上部的圆台部接触并加压200-500吨保压；

第五步，启动抽芯油缸，推进销孔芯：将两个销孔芯推进，插入裙腔芯两侧面对应的圆坑内；

第六步，充型和液锻：推动压头将料腔内的钢液以20-100mm/S的速度挤入并充满模腔，增压至80-150MPa，使模腔内的钢液在压力作用下凝固并发生塑性变形；

第七步，开模取件：抽出销孔芯，上模带动裙腔芯上行，通过斜导柱将中模的左右半模分开，活塞毛坯留在原位不动，清理推板带动清理柱下行使裙腔芯的内冷腔芯座孔内的芯头残留顶出，取走包裹有内冷腔芯的活塞毛坯，放入10-80℃水中使活塞毛坯中的内冷腔芯溶化，得到活塞毛坯；

第八步，热处理和去除加工，将活塞毛坯放入热处理炉内进行调质热处理，冷却后进行取出加工，得到钢质内冷活塞。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的一种钢质内冷活塞毛坯的制造方法使用外形与内冷腔相同的芯形成内冷腔，采用液态模锻技术进行毛坯成形，既能有效提高材料利用率和制造效率，又能确保组织性能。利用本发明制备的钢质内冷活塞，经过调质热处理后，与模锻件调制处理后的组织没有明显差别，其组织评级可以达到3级；带有燃烧室的头部直接承受高压，晶粒细小，性能更好。与现有锻造和锻焊钢质内冷活塞相比，本发明的毛坯形状和尺寸更加接近成品，加工余量小，材料利用率可以达到80％以上，提高20各百分点以上。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种钢质内冷活塞的铸造磨具的结构示意图

1-上模板，2-清理推板，3-清理杆，4-裙腔芯，5-内冷腔芯头，6-弹性套，7-中模，8-侧杠活塞杆，9-斜导柱，10-中模套，11-抽芯机构，12-压室，13-压头。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

为了解决这些难题，克服现有技术中，铸造钢质内冷活塞材料利用率低、性能较差的问题，以及锻造活塞材料利用率低的问题，及锻焊钢质内冷活塞工艺过程复杂、造价过高、焊缝附近存在裂纹几率大的问题，填补钢质内冷活塞液态模锻空白。

本发明提出了一种制造钢质内冷活塞毛坯的金属模具，该金属模具的结构如图1所示，包括上模1、4、6、10、中模7、抽芯机构11和下模12。上模包括上模体、上模顶板和裙腔芯、清理推板、清理杆、斜导柱六部分，除裙腔芯用热作模具钢制成外，其他均用碳素结构钢制成；所述的上模顶板的中央设置有安放清理推板的圆形凹坑，与上模体接触的下平面上开有排气道，排气道形状为矩形，深度为0.1-0.5mm，宽度为50-100mm。

所述的裙腔芯用模具钢制成，与上模顶板同轴，采用沉头螺钉与上模顶板连接牢固，所述的裙腔芯上设置有内冷腔芯芯头插入的两个锥形孔，锥孔深40-100mm，锥度与内冷腔芯芯头一致；锥形孔上方为圆柱形通孔，清理杆插入圆柱形通孔的内部，并上下运动；所述的裙腔芯的侧面留有与销孔芯接触的圆坑。

所述的清理推板的厚度为15-30mm，直径比内冷腔芯直径大10-20mm，清理推板的下部中央由弹簧支撑，清理杆垂直安装在其下方；所述的上模体的上面为平面，下面为中央设有斜度为5-10°的圆坑的台阶面，圆坑底面直径与下模体上沿直径一致，圆坑深度5-30mm，中央设有安装裙腔芯的通孔；所述的上模套设有安装斜导柱的斜孔，其内径与上模体外径相一致，采用H7/h6的间隙配合，防止上模体开裂；所述斜导柱的数量为2个或4个，采用对称分布，直径15-40mm，斜度5-15°，安装在上模套的斜孔内。

所述抽芯机构包括抽芯油缸、销孔芯和安装结构；所述的销孔芯用模具钢制成，长度40-100mm，前端带有R2-6mm的过渡圆角，尾端带有与油缸活塞杆链接的内螺纹，水平安装在抽芯油缸的活塞端部，在抽芯油缸带动下可以水平推进和后退；所述的抽芯油缸是两个水平安装的活塞缸，行程60-120mm，公称缸力3-10吨，所述的安装结构是用钢制成的支座，将抽芯油缸与安装平台牢固地连接在一起。

所述的中模包括中模体和中模套两部分，所述的中模体由垂直分模的左半模、右半模组成，用来形成活塞的外形；中模体左右半模的上部均设有一段圆台，该圆台的直径、高度和锥度与上模体上中央圆坑的直径、高度和锥度对应一致，厚度为20-60mm；下部为光滑平面，内壁与活塞的外形一致，通过压板和螺钉与中模套固定在一起，可以随着中模套做水平运动，在活塞的销孔所在的高度上设置有销孔芯通过的通孔，与销孔芯之间为间隙配合，配合间隙0.10-0.25mm。所述的中模套上下面均为光滑平面，在对应位置设置有斜导柱和销孔芯通过的通孔，下部设置有燕尾凸台，安装在燕尾槽内，沿水平方向可以左右运动，运动行程20-100mm。

所述的下模包括料腔、下模板、支撑板、水平滑道和压头；所述的料腔为圆筒形，直径为90-150mm，内孔与压头之间为间隙配合，配合间隙0.15-0.30mm，容积为活塞毛坯体积的1.1-1.3倍，用模具钢制成，厚度为30-60mm；所述的下模板用来将下模安装在工作台上，并通过支撑板与水平滑道连接在一起；所述的水平滑道上安装有燕尾槽；所述的压头用热作模具钢制成，上平面带有与燃烧室内腔相一致的凸起，外径与活塞毛坯外径相同，带有50mm的密封段和30mm的导向段，导向段和密封段间设置有宽度1-3mm的润滑环槽，下端设置有内螺纹与加压油缸活塞连接。

所述中模的内腔与活塞的外轮廓一致，其尺寸等于对应活塞毛坯外轮廓尺寸加上0.8-1.5％的收缩量。所述下模其内腔为料腔，储放金属液，所述裙腔芯用来成型活塞的裙腔，其尺寸等于活塞裙腔毛坯尺寸减去0.8-1.5％的收缩量。基于上述图1所示的磨具，本发明一种钢质内冷活塞毛坯制造方法，包括如下步骤：

第一步，喷涂料：将模具上模1、4、6、10与中模7及下模12分开，将成形压头13退回至料腔下部设定位置，使其与料腔形成的圆孔的容积等于活塞毛坯体积的1.1-1.3倍，对模具的上下模腔表面喷涂2号涂料，防止钢液与模具粘连；

第二步，安芯：将预热温度在180-250℃的内冷腔芯的芯头5插入裙腔芯4对应的锥形芯座孔内；

第三步，浇注钢液：将温度高于活塞用钢液相线温度30-100℃、体积等于活塞毛坯体积1.05-1.15倍的钢液在氮气保护下浇入下模中央的料腔内；

第四步，模具闭合、液锻成形：在浇注完毕1-5秒时间内，迅速将上模下行，同时通过斜导柱9使中模的左右半模7向中央运动至闭合，上模板1的圆形凹坑与中模10上部的圆台部接触并加压200-500吨保压；

第五步，启动抽芯油缸11，推进销孔芯8：将两个销孔芯8推进，插入裙腔芯两侧面对应的圆坑内；

第六步，充型和液锻：推动压头13将料腔内的钢液以20-100mm/S的速度挤入并充满模腔，随后迅速增压至80-150MPa，使模腔内的钢液在压力作用下凝固并发生塑性变形；

第七步，开模取件：抽出销孔芯8，上模1，4，6，10带动裙腔芯上行，通过斜导柱9将中模7的左右半模分开，活塞毛坯留在原位不动，清理推板带动清理柱下行使裙腔芯的内冷腔芯座孔内的芯头残留顶出，取走包裹有内冷腔芯的活塞毛坯，放入室温-80℃水中使活塞毛坯中的内冷腔芯溶化，得到活塞毛坯；

第八步，热处理和去除加工，将活塞毛坯放入热处理炉内进行调质热处理，冷却后进行取出加工，得到本发明的钢质内冷活塞；

实施例1.一种中碳低合金钢(42CrMo)内冷腔钢活塞的制造方法及其模具

42CrMo是一种传统的钢活塞材料，线收缩率为1.2％，体收缩率为4.3％；

模具闭合后的型腔形状与内冷腔钢活塞的形状相同，模具所有的成形型腔尺寸等于内冷腔钢活塞毛坯尺寸加上1.2％的线收缩量；模具的裙腔芯4与弹性套6的间隙为0.2mm，压头13与下模12的间隙为0.2mm；

本发明一种中碳低合金钢(42CrMo)内冷腔钢活塞的制造方法，包括如下步骤：

第一步，模具准备：将模具上1、4、6、10、中模7、下模12分开，将成形压头13退回至料腔下部设定位置，使其与料腔形成的圆孔的容积等于活塞毛坯体积的1.3倍，对模具的上下模腔表面喷涂耐火涂料，防止钢液与模具粘连；

第二步，安芯：将预热温度在250℃的内冷腔芯的芯头插入裙腔芯对应的锥形芯座孔内；

第三步，浇注钢液：将温度高于活塞用钢液相线温度30℃的设定量钢液在氮气保护下浇入下模中央的料腔内，所述的设定量是活塞室温体积的1.15倍；

第四步，加压成形：在浇注完毕1-5秒时间内，迅速将上模下行，同时通过斜导柱使中模的左右半模向中央运动至闭合，上模板的圆形凹坑与中模上部的圆台部接触并对施加200-500吨的压力，保持；

第五步，置芯：启动抽芯油缸推进销孔芯，将两个销孔芯同时推进，插入裙腔芯两侧面对应的圆坑内；

第六步，充型和液锻：推动压头将料腔内的钢液以100mm/s的速度挤入并充满模腔，随后迅速增压，使模腔内的钢液在80-150MPa压强作用下凝固并发生塑性变形；

第七步，开模取件：抽出销孔芯，上模带动裙腔芯上行，通过斜导柱将中模分开，活塞毛坯留在原位不动，清理推板带动清理柱下行使内冷腔芯座孔内的芯头残留顶出，取走包裹有内冷腔芯的活塞毛坯，放入10-80℃的水中使活塞毛坯中的内冷腔芯溶化，形成内冷油道，得到活塞毛坯；

第八步，热处理和去除加工：将活塞毛坯放入热处理炉内进行调质热处理，冷却后进行去除加工，得到本发明的钢质内冷活塞；

实施例2.一种中碳低合金钢(38MnVS6)内冷腔钢活塞的制造方法及其模具

38MnVS6是一种高等级低合金化锰钒钢，具有良好的切削性能是较好的钢活塞材料，线收缩率为1.4％，体收缩率为3.2％；

模具闭合后的型腔形状与内冷腔钢活塞的形状相同，所有成型轮廓尺寸的金属型型腔尺寸为活塞对应尺寸加上1.4％的收缩量；模具的裙腔芯4与弹性套6的间隙为0.2mm，压头13与下模12的间隙为0.2mm；

本发明一种中碳低合金钢(38MnVS6)内冷腔钢活塞的制造方法，包括如下步骤：

第一步，模具准备：将模具上1、4、6、10、中模7、下模12分开，将成形压头13退回至料腔下部设定位置，使其与料腔形成的圆孔的容积等于活塞毛坯体积的1.2倍，对模具的上下模腔表面喷涂耐火涂料，防止钢液与模具粘连；

第二步，安芯：将预热温度在200℃的内冷腔芯的芯头插入裙腔芯对应的锥形芯座孔内；

第三步，浇注钢液：将温度高于活塞用钢液相线温度30-100℃的设定量钢液在氮气保护下浇入下模中央的料腔内，所述的设定量是活塞室温体积的1.1倍；

第四步，加压成形：在浇注完毕1-5秒时间内，迅速将上模下行，同时通过斜导柱使中模的左右半模向中央运动至闭合，上模板的圆形凹坑与中模上部的圆台部接触并对施加200-500吨的压力，保持；

第五步，置芯：启动抽芯油缸推进销孔芯，将两个销孔芯同时推进，插入裙腔芯两侧面对应的圆坑内；

第六步，充型和液锻：推动压头将料腔内的钢液以90mm/s的速度挤入并充满模腔，随后迅速增压，使模腔内的钢液在80-150MPa压强作用下凝固并发生塑性变形；

第七步，开模取件：抽出销孔芯，上模带动裙腔芯上行，通过斜导柱将中模分开，活塞毛坯留在原位不动，清理推板带动清理柱下行使内冷腔芯座孔内的芯头残留顶出，取走包裹有内冷腔芯的活塞毛坯，放入10-80℃的水中使活塞毛坯中的内冷腔芯溶化，形成内冷油道，得到活塞毛坯；

第八步，热处理和去除加工：将活塞毛坯放入热处理炉内进行调质热处理，冷却后进行去除加工，得到本发明的钢质内冷活塞；

实施例3.中碳低合金钢(30CrMoV)内冷腔钢活塞液态模锻(各值均取下限)

30CrMoV是一种传统的钢活塞材料，线收缩率取1.5％，体收缩率为2.6％；

模具闭合后的型腔形状与内冷腔钢活塞的形状相同，所有成型轮廓尺寸的金属型型腔尺寸为活塞对应尺寸加上1.5％的收缩量；模具的裙腔芯4与弹性套6的间隙为0.2mm，压头13与下模12的间隙为0.2mm；

本发明一种中碳低合金钢(30CrMoV)内冷腔钢活塞的制造方法，包括如下步骤：

第一步，模具准备：将模具上1、4、6、10、中模7、下模12分开，将成形压头13退回至料腔下部设定位置，使其与料腔形成的圆孔的容积等于活塞毛坯体积的1.1倍，对模具的上下模腔表面喷涂耐火涂料，防止钢液与模具粘连；

第二步，安芯：将预热温度在200℃的内冷腔芯的芯头插入裙腔芯对应的锥形芯座孔内；

第三步，浇注钢液：将温度高于活塞用钢液相线温度30℃的设定量钢液在氮气保护下浇入下模中央的料腔内，所述的设定量是活塞室温体积的1.05倍；

第四步，加压成形：在浇注完毕1-5秒时间内，迅速将上模下行，同时通过斜导柱使中模的左右半模向中央运动至闭合，上模板的圆形凹坑与中模上部的圆台部接触并对施加200-500吨的压力，保持；

第五步，置芯：启动抽芯油缸推进销孔芯，将两个销孔芯同时推进，插入裙腔芯两侧面对应的圆坑内；

第六步，充型和液锻：推动压头将料腔内的钢液以80mm/s的速度挤入并充满模腔，随后迅速增压，使模腔内的钢液在80-150MPa压强作用下凝固并发生塑性变形；

第七步，开模取件：抽出销孔芯，上模带动裙腔芯上行，通过斜导柱将中模分开，活塞毛坯留在原位不动，清理推板带动清理柱下行使内冷腔芯座孔内的芯头残留顶出，取走包裹有内冷腔芯的活塞毛坯，放入10-80℃的水中使活塞毛坯中的内冷腔芯溶化，形成内冷油道，得到活塞毛坯；

第八步，热处理和去除加工：将活塞毛坯放入热处理炉内进行调质热处理，冷却后进行去除加工，得到本发明的钢质内冷活塞；

综上所述，本发明实施例提供的一种钢质内冷活塞毛坯的制造方法使用外形与内冷腔相同的芯形成内冷腔，采用液态模锻技术进行毛坯成形，既能有效提高材料利用率和制造效率，又能确保组织性能。具有如下的有益效果：

(1)产品质量高：利用本发明制备的钢质内冷活塞，经过调质热处理后，与模锻件调制处理后的组织没有明显差别，其组织评级可以达到3级；带有燃烧室的头部直接承受高压，晶粒细小，性能更好；

(2)材料利用率高：与现有锻造和锻焊钢质内冷活塞相比，本发明的毛坯形状和尺寸更加接近成品，加工余量小，材料利用率可以达到80％以上，提高20各百分点以上；

(3)适用范围广：本发明不受活塞钢号、形状和尺寸的限制，可以用来生产各种钢质内冷活塞；

(4)生产成本低：本发明工艺流程短，加工余量小、废品率低，生产成本比锻造及锻焊活塞降低20％以上；

(5)生产效率高：本发明每生产一件活塞只需2分钟，单台设备年产量可达20万只以上。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种钢质内冷活塞的制造模具，其特征在于，包括：上模、中模、抽芯机构和下模，所述上模包括上模体、上模顶板和裙腔芯、清理推板、清理杆、斜导柱，所述上模顶板的中央设置有安放清理推板的圆形凹坑，与上模体接触的下平面上开有排气道；所述中模包括中模体和中模套两部分，所述的中模体由垂直分模的左半模、右半模组成，用来形成活塞的外形；所述抽芯机构包括抽芯油缸、销孔芯和安装结构；所述的下模包括料腔、下模板、支撑板、水平滑道和压头，所述下模板用来将下模安装在工作台上，并通过支撑板与水平滑道连接在一起。

2.根据权利要求1所述的钢质内冷活塞的制造模具，其特征在于，所述的裙腔芯用模具钢制成，与上模顶板同轴，采用沉头螺钉与上模顶板连接牢固，所述的裙腔芯上设置有内冷腔芯芯头插入的两个锥形孔，锥孔深40-100mm，锥度与内冷腔芯芯头一致；锥形孔上方为圆柱形通孔，清理杆插入圆柱形通孔的内部，并上下运动；所述的裙腔芯的侧面留有与销孔芯接触的圆坑。

3.根据权利要求2所述的钢质内冷活塞的制造模具，其特征在于，所述清理推板的厚度为15-30mm，直径比内冷腔芯直径大10-20mm，所述清理推板由弹簧支撑，所述清理杆垂直安装在清理推板的下方；所述上模体的上面为平面，下面为中央设有斜度为5-10°的圆坑的台阶面，所述圆坑的底面直径与所述下模体的上沿直径一致，圆坑深度5-30mm，中央设有安装裙腔芯的通孔。

4.根据权利要求3所述的钢质内冷活塞的制造模具，其特征在于，所述的上模套设有安装斜导柱的斜孔，该斜孔的内径与所述上模体的外径相一致，采用H7/h6的间隙配合，防止上模体开裂；所述斜导柱的数量为2个或4个，采用对称分布，直径15-40mm，斜度5-15°，安装在上模套的斜孔内。

5.根据权利要求1所述的钢质内冷活塞的制造模具，其特征在于，所述的销孔芯用模具钢制成，前端带过渡圆角，尾端带有与油缸活塞杆链接的内螺纹，水平安装在抽芯油缸的活塞端部，在抽芯油缸带动下水平推进和后退；所述的抽芯油缸是两个水平安装的活塞缸，所述的安装结构是用钢制成的支座，将抽芯油缸与安装平台连接在一起。

6.根据权利要求1所述的钢质内冷活塞的制造模具，其特征在于，所述中模体的左右半模的上部均设有一段圆台，该圆台的直径、高度和锥度与上模体上中央圆坑的直径、高度和锥度对应一致，该圆台的下部为光滑平面，内壁与活塞的外形一致，通过压板和螺钉与中模套固定在一起，随着中模套做水平运动。

7.根据权利要求6所述的钢质内冷活塞的制造模具，其特征在于，所述在活塞的销孔所在的高度上设置有销孔芯通过的通孔，与销孔芯之间为间隙配合，配合间隙0.10-0.25mm，所述的中模套上下面均为光滑平面，在对应位置设置有斜导柱和销孔芯通过的通孔，下部设置有燕尾凸台，安装在燕尾槽内，沿水平方向左右运动，运动行程20-100mm。

8.根据权利要求6所述的钢质内冷活塞的制造模具，其特征在于，所述的料腔为圆筒形，直径为90-150mm，内孔与压头之间为间隙配合，配合间隙0.15-0.30mm，容积为活塞毛坯体积的1.1-1.3倍，用模具钢制成，厚度为30-60mm；所述的水平滑道上安装有燕尾槽；所述的压头用热作模具钢制成，上平面带有与燃烧室内腔相一致的凸起，外径与活塞毛坯外径相同，带有50mm的密封段和30mm的导向段，导向段和密封段间设置有宽度1-3mm的润滑环槽，下端设置有内螺纹与加压油缸活塞连接。

9.根据权利要求8所述的钢质内冷活塞的制造模具，其特征在于，所述中模的内腔与活塞的外轮廓一致，其尺寸等于对应活塞毛坯外轮廓尺寸加上0.8-1.5％的收缩量。所述下模其内腔为料腔，储放金属液，所述裙腔芯用来成型活塞的裙腔，其尺寸等于活塞裙腔毛坯尺寸减去0.8-1.5％的收缩量。

10.一种钢质内冷活塞的制造方法，其特征在于，包括：

第一步，喷涂料：将模具上模与中模及下模分开，将成形压头退回至料腔下部的设定位置，使成形压头与料腔形成的圆孔的容积等于活塞毛坯体积的1.1-1.3倍，对模具的上下模腔表面喷涂涂料；

第二步，安芯：将预热温度在180-250℃的内冷腔芯的芯头插入裙腔芯对应的锥形芯座孔内；

第三步，浇注钢液：将温度高于活塞用钢液相线温度30-100℃、体积等于活塞毛坯体积1.05-1.15倍的钢液在氮气保护下浇入下模中央的料腔内；

第四步，模具闭合、液锻成形：在浇注完毕后设定时间内，将上模下行，同时通过斜导柱使中模的左右半模向中央运动至闭合，上模板的圆形凹坑与中模上部的圆台部接触并加压200-500吨保压；

第五步，启动抽芯油缸，推进销孔芯：将两个销孔芯推进，插入裙腔芯两侧面对应的圆坑内；

第六步，充型和液锻：推动压头将料腔内的钢液以20-100mm/S的速度挤入并充满模腔，增压至80-150MPa，使模腔内的钢液在压力作用下凝固并发生塑性变形；

第七步，开模取件：抽出销孔芯，上模带动裙腔芯上行，通过斜导柱将中模的左右半模分开，活塞毛坯留在原位不动，清理推板带动清理柱下行使裙腔芯的内冷腔芯座孔内的芯头残留顶出，取走包裹有内冷腔芯的活塞毛坯，放入10-80℃水中使活塞毛坯中的内冷腔芯溶化，得到活塞毛坯；

第八步，热处理和去除加工，将活塞毛坯放入热处理炉内进行调质热处理，冷却后进行取出加工，得到钢质内冷活塞。