CN112222342B - 一种钢制柴油机活塞热挤压成形装置及工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种钢制柴油机活塞热挤压成形装置及工艺，该装置包括用于对金属坯料进行挤压形成锻件坯料的多向成形挤压装置和用于对锻件坯料进行冲孔的冲孔装置，本发明可实现钢制柴油机活塞的无飞边锻造成形，并且可以成形出活塞销孔，该工艺及装置使得成形锻件大部分金属流线得以保留，金属流线沿着锻件轮廓分布，有利于该零件在使用过程中的受力状态，同时该工艺及装置所需成形工序短，成形设备能耗较低，金属利用率较高。

Description

一种钢制柴油机活塞热挤压成形装置及工艺
技术领域
本发明涉及金属热精密锻造成形技术领域，具体涉及一种钢制柴油机活塞热挤压成形装置及工艺。
背景技术
活塞在采油机中的工作环境十分恶劣，需要承受高压燃气爆发压力、高速往返运动产生的惯性力、侧向压力和摩擦力等周期性的机械负荷作用，同时由于活塞顶面承受瞬变高温燃气作用，使活塞温度升高，而且温度分布很不均匀，造成活塞产生很大的热变形和热应力，严重时会产生拉缸、抱死等情况。目前，铝活塞具有广阔的应用前景，但是对于燃烧压力超过22Mpa及升功率大于100KW的柴油机必须使用钢活塞，有资料表明使用钢活塞的柴油机功率可提高2.5%，进而使得燃油耗降低2.5%，有利于降低二氧化碳排放。
现阶段钢活塞的生产普采用开式模锻工艺生产，需经过预制坯、终锻、切边等工序，由于存在飞边以及锻件拔模斜度大等问题容易造成金属利用率低，设备能耗大，而且活塞销孔无法锻出，使后续机加工时的工时增加，不利于成本降低。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种钢制柴油机活塞热挤压成形装置及工艺，其可实现钢制柴油机活塞的无飞边锻造成形，并且可以成形出活塞销孔，该工艺及装置使得成形锻件大部分金属流线得以保留，金属流线沿着锻件轮廓分布，有利于该零件在使用过程中的受力状态，同时该工艺及装置所需成形工序短，成形设备能耗较低，金属利用率较高。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种钢制柴油机活塞热挤压成形装置，包括用于对金属坯料进行挤压形成锻件坯料的多向成形挤压装置和用于对锻件坯料进行冲孔的冲孔装置，其特征在于：
所述多向成形挤压装置包括可围成用于放置金属坯料的挤压腔的上模组件、下模组件、左冲头组件和右冲头组件，其中，上模组件包括固定设置在成形压机上滑块上的上模座、嵌设在上模座的内侧并与上模座可拆卸连接的上凹模以及贯穿设置在两者内部的上冲头；所述下模组件包括固定设置在成形压机水平台面上的下模座、嵌设在下模座的内侧并与下模座可拆卸连接的下凹模以及贯穿设置在两者内部的顶杆，顶杆与上冲头的工作端相对设置且顶杆远离上冲头的一端设置有顶杆接杆，上冲头远离顶杆的一端连接有动力源油缸，顶杆接杆连接至成形压机的顶出缸上，上凹模的下表面设置有用于定位的定位方键；左冲头组件包括连接至左挤压油缸的左挤压冲头，右冲头组件包括右挤压冲头、冲头套以及冲头垫块，右挤压冲头和左挤压冲头的工作端相对设置，右挤压冲头远离左挤压冲头的一端套设有冲头套，冲头套连接至右挤压油缸，下凹模的上表面设置有与定位方键相匹配的方形的凹槽；
所述冲孔装置包括可围成用于放置锻件坯料的冲孔腔的冲孔底模、冲孔模模座、冲孔左冲头、冲孔上压模和冲孔右冲头，冲头模模座固设在冲头压机的水平台面上，冲孔上压模连接至冲孔压机的上滑块，冲孔左冲头和冲孔右冲头分别由冲孔压机的左、右液压缸驱动，所述冲孔底模与顶出油缸相连并滑动设置在冲孔模模座的内部。
进一步的，所述上凹模、下凹模、冲头套以及冲孔模模座的内部均开设有阶梯孔。
进一步的，所述右挤压冲头远离左挤压冲头的一端一体设置有多个与冲头套上开设的阶梯孔相匹配的凸台，且右挤压冲头的表面上沿长度方向开设有多条通气沟槽。
进一步的，所述右挤压冲头远离左挤压冲头的一端连接有冲头垫块，且冲头垫块嵌设在冲头套上开设的阶梯孔内。
进一步的，所述冲孔底模的宽度小于锻件坯料的宽度。
进一步的，所述冲孔底模上开设有落料孔，落料孔、冲孔左冲头以及冲孔右冲头同轴线设置。
一种钢制柴油机活塞热挤压成形装置的成型工艺，包括以下步骤：
S1、下料：由钢制棒材锯切制备圆柱坯料；
S2、加热：将圆柱坯料由中频感应加热炉加热，加热温度为1150-1180℃；
S3、多向挤压成形：将圆柱坯料放入下凹模的模腔中，上模座带动上凹模和上冲头向下运动，当上凹模与下凹模接触时停止运动，然后，左挤压冲头与右挤压冲头同时挤压圆柱坯料，当左挤压冲头距离最终成形位置2mm时停止挤压，此时右挤压冲头距离最终成形位置3mm，也停止挤压，随后上冲头和顶杆共同挤压金属坯料，挤压到金属坯料距离右挤压冲头的最小距离为3mm时停止挤压，随后左挤压冲头与右挤压冲头开始挤压金属坯料直至挤压到预定位置，随后左挤压冲头和右挤压冲头退回，上模座带动上凹模和上冲头向上运动，上冲头回到初始位置，顶杆先向下运动2-5mm后再向上运动将挤压后得到的锻件坯料顶出，将锻件坯料取出后顶杆、左挤压冲头、右挤压冲头复位，然后将模具冷却润滑后放入下一个圆柱坯料重复以上动作；
S4、冲孔：将多向成形后的锻件坯料立刻放入冲孔模具中，锻件坯料的底部平面由冲孔上压模压住，冲孔左冲头和冲孔右冲头同时挤压锻件坯料，将锻件坯料上的沉孔底部金属切断后形成通孔，冲孔落料金属落入冲孔底模上开设的落料孔内，然后冲孔左冲头、冲孔右冲头以及上压模退回，冲孔底模向下运动一段距离，使锻件坯料与冲孔底模脱离，随后将锻件坯料取出，并将落料孔中的冲孔落料金属取出，然后冲孔底模回到初始位置，放入下一个坯料后重复以上动作。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明可以实现钢制活塞的无飞边锻造，其拔模斜度较小，金属利用率高，其成形工序少，其综合能耗较低。 本发明工艺和装置可以将活塞的销孔锻出，成形锻件大部分金属流线得以保存，金属流线沿着锻件轮廓分布，有利于该零件在使用过程中的受力状态，其性能比铝制活塞有较大的提高，有利于内燃机功率提升。
附图说明
图1为本发明中多向成形挤压装置的结构示意图；
图2为本发明中多向成形挤压装置的俯视图；
图3为多向成形挤压装置挤压结束后的状态示意图；
图4为右挤压冲头的结构示意图；
图5为本发明中通气沟槽在右挤压冲头上的位置示意图；
图6为本发明中冲孔装置的结构示意图；
图7为冲孔装置冲孔结束后的状态示意图；
图8为本发明成形工艺的流程状态示意图；
图中标记：1、顶杆接杆，2、下模座，3、顶杆，4、下凹模，5、左挤压冲头，6、圆柱坯料，7、上凹模，8、上模座，9、上冲头，10、冲头套，11、冲头垫块，12、右挤压冲头，13、冲孔底模，14、冲孔模模座，15、冲孔左冲头，16、冲孔上压模，17、冲孔右冲头，100、定位方键，200、通气沟槽。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-图3所示，本发明中的钢制柴油机活塞热挤压成形装置包括上模组件、下模组件、左冲头组件、右冲头组件，其中上模组件包括上凹模7、上模座8和上冲头9，其中，呈半圆外形的上凹模7由螺钉固结于上模座8上上模座8固结于成形压机的上滑块上，上冲头9位于上模座8的阶梯孔中，其尾部连接有单独的动力源油缸；下模组件包括下模座2、下凹模4、顶杆接杆1和顶杆3，其中呈半圆外形的下凹模4由螺钉固结于下模座2上下模座2固结于成形压机的水平台面上，顶杆3位于下模座2中的阶梯孔中，顶杆3尾部连接于顶杆接杆1，顶杆接杆1连接于成形压机的顶出缸上，上凹模的下表面即模具分模面位置设置有用于定位的定位方键100；左冲头组件包括左挤压冲头5，左挤压冲头5连接于左挤压油缸；右冲头组件包括右挤压冲头12、冲头套10、冲头垫块11 ，右挤压冲头12安装于冲头套10内的阶梯孔中，冲头套10在阶梯孔的尾部放置有冲头垫块11，冲头套10连接于右挤压油缸，下凹模4的上表面即模具分模面位置设置有与定位方键100相匹配的方形的凹槽，定位方键100和凹槽共同用于实现模具安装时的定位。
进一步优化本方案，如图4和图5所示，右挤压冲头12尾部带有凸台，凸台便于与冲头套10上的阶梯孔连接，在右挤压冲头的前后侧设置有第一通气沟槽200，左右两侧设置有第二通气沟槽300。通气沟槽的设置可以减小挤压成形时由于空间封闭产生的高压气体，影响最后锻件的填充。
进一步优化本方案，左挤压冲头5的挤压初始位置满足尾部法兰内侧面与上、下模座左侧面距离为左挤压冲头的挤压行程，右挤压冲头12的挤压初始位置满足挤压冲头套10左侧面与上、下模座右侧面距离为右挤压冲头的挤压行程。该设置可以有效避免由于模具受到偏载力而产生失效。
如图6和图7所示，本发明中的冲孔装置包括冲孔底模13、冲孔模模座14、冲孔左冲头15、冲孔上压模16及冲孔右冲头17，冲孔模模座14固结在冲孔压机的水平台面上，冲孔底模13位于冲孔模模座14内部的阶梯孔中，其尾部连接于顶出油缸，冲孔上压模16连接于冲孔压机的上滑块，冲孔左冲头15由冲孔压机的左液压缸驱动，冲孔右冲头17由冲孔压机的右液压缸驱动。冲孔工序所需压机的吨位较低，其设备投入较低。
进一步优化本方案，冲孔底模13的宽度小于锻件坯料的宽度，便于冲孔底模13向下运动时与锻件脱开，冲孔底模13上开设的落料孔与冲孔左冲头15、冲孔右冲头17同轴线设置，具体来说，落料孔的孔径比冲孔左、右冲头的外径小1mm。
如图8所示，本发明的钢制柴油机活塞热挤压成形工艺步骤如下：（1）下料：圆柱坯料6由钢制棒材锯切制备；（2）加热：圆柱坯料6由中频感应加热炉加热，加热温度为1150-1180℃；（3）多向挤压成形：将圆柱坯料6放入下凹模4的模腔中，左挤压冲头5与右挤压冲头12间距大于坯料6高的2-3mm，上模座8带动上凹模7以及上冲头9向下运动，当上凹模7与下凹模4接触时停止运动，左挤压冲头5与右挤压冲头12同时挤压金属坯料，当左挤压冲头5距离最终成形位置2mm时停止挤压，此时右挤压冲头12距离最终成形位置3mm，也停止挤压，随后上冲头9和顶杆3挤压金属坯料，挤压到距离右挤压冲头12最小距离为3mm使停止挤压，随后左挤压冲头5与右挤压冲头12开始挤压金属坯料直至挤压到指定位置，随后左挤压冲头5和右挤压冲头12退回，上模座8带动上凹模7和上冲头9向上运动，上冲头回到初始位置，顶杆向下运动2-5mm后向上顶出将锻件坯料顶出，将锻件坯料取出后顶杆3、左挤压冲头5、右挤压冲头12复位，将模具冷却润滑后放入下一个坯料重复以上动作；（4）冲孔：将多向成形后的锻件坯料立刻放入冲孔模具中，锻件底部平面由冲孔上压模16压住，冲孔左冲头15和冲孔右冲头17同时挤压坯料，将锻件坯料上的沉孔底部金属切断后形成通孔，冲孔落料金属位于冲孔底模13的孔洞中，冲孔左冲头15、冲孔右冲头17以及上压模16退回，冲孔底模13向下运动一段距离，使锻件坯料下表面与冲孔模模座孔边沿作用，使锻件与冲孔底模13脱离，随后将锻件取出模具，将冲孔所落的料取出，冲孔底模13回到初始位置，放入下一个坯料后重复以上动作。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种钢制柴油机活塞热挤压成形装置的成型工艺，其特征在于，
所述成形装置包括用于对金属坯料进行挤压形成锻件坯料的多向成形挤压装置和用于对锻件坯料进行冲孔的冲孔装置，所述多向成形挤压装置包括可围成用于放置金属坯料的挤压腔的上模组件、下模组件、左冲头组件和右冲头组件，其中，上模组件包括固定设置在成形压机上滑块上的上模座、嵌设在上模座的内侧并与上模座可拆卸连接的上凹模以及贯穿设置在两者内部的上冲头；所述下模组件包括固定设置在成形压机水平台面上的下模座、嵌设在下模座的内侧并与下模座可拆卸连接的下凹模以及贯穿设置在两者内部的顶杆，顶杆与上冲头的工作端相对设置且顶杆远离上冲头的一端设置有顶杆接杆，上冲头远离顶杆的一端连接有动力源油缸，顶杆接杆连接至成形压机的顶出缸上，上凹模的下表面设置有用于定位的定位方键；左冲头组件包括连接至左挤压油缸的左挤压冲头，右冲头组件包括右挤压冲头、冲头套以及冲头垫块，右挤压冲头和左挤压冲头的工作端相对设置，右挤压冲头远离左挤压冲头的一端套设有冲头套，冲头套连接至右挤压油缸，下凹模的上表面设置有与定位方键相匹配的方形的凹槽；
所述冲孔装置包括可围成用于放置锻件坯料的冲孔腔的冲孔底模、冲孔模模座、冲孔左冲头、冲孔上压模和冲孔右冲头，冲头模模座固设在冲头压机的水平台面上，冲孔上压模连接至冲孔压机的上滑块，冲孔左冲头和冲孔右冲头分别由冲孔压机的左、右液压缸驱动，所述冲孔底模与顶出油缸相连并滑动设置在冲孔模模座的内部；
所述成形装置的成型工艺包括以下步骤：
S1、下料：由钢制棒材锯切制备圆柱坯料；
S2、加热：将圆柱坯料由中频感应加热炉加热，加热温度为1150-1180℃；
S3、多向挤压成形：将圆柱坯料放入下凹模的模腔中，上模座带动上凹模和上冲头向下运动，当上凹模与下凹模接触时停止运动，然后，左挤压冲头与右挤压冲头同时挤压圆柱坯料，当左挤压冲头距离最终成形位置2mm时停止挤压，此时右挤压冲头距离最终成形位置3mm，也停止挤压，随后上冲头和顶杆共同挤压金属坯料，挤压到金属坯料距离右挤压冲头的最小距离为3mm时停止挤压，随后左挤压冲头与右挤压冲头开始挤压金属坯料直至挤压到预定位置，随后左挤压冲头和右挤压冲头退回，上模座带动上凹模和上冲头向上运动，上冲头回到初始位置，顶杆先向下运动2-5mm后再向上运动将挤压后得到的锻件坯料顶出，将锻件坯料取出后顶杆、左挤压冲头、右挤压冲头复位，然后将模具冷却润滑后放入下一个圆柱坯料重复以上动作；
S4、冲孔：将多向成形后的锻件坯料立刻放入冲孔模具中，锻件坯料的底部平面由冲孔上压模压住，冲孔左冲头和冲孔右冲头同时挤压锻件坯料，将锻件坯料上的沉孔底部金属切断后形成通孔，冲孔落料金属落入冲孔底模上开设的落料孔内，然后冲孔左冲头、冲孔右冲头以及上压模退回，冲孔底模向下运动一段距离，使锻件坯料与冲孔底模脱离，随后将锻件坯料取出，并将落料孔中的冲孔落料金属取出，然后冲孔底模回到初始位置，放入下一个坯料后重复以上动作。
2.根据权利要求1所述的一种钢制柴油机活塞热挤压成形装置的成型工艺，其特征在于：所述上凹模、下凹模、冲头套以及冲孔模模座的内部均开设有阶梯孔。
3.根据权利要求2所述的一种钢制柴油机活塞热挤压成形装置的成型工艺，其特征在于：所述右挤压冲头远离左挤压冲头的一端一体设置有多个与冲头套上开设的阶梯孔相匹配的凸台，且右挤压冲头的表面上沿长度方向开设有多条通气沟槽。
4.根据权利要求3所述的一种钢制柴油机活塞热挤压成形装置的成型工艺，其特征在于：所述右挤压冲头远离左挤压冲头的一端连接有冲头垫块，且冲头垫块嵌设在冲头套上开设的阶梯孔内。
5.根据权利要求4所述的一种钢制柴油机活塞热挤压成形装置的成型工艺，其特征在于：所述冲孔底模的宽度小于锻件坯料的宽度。
6.根据权利要求5所述的一种钢制柴油机活塞热挤压成形装置的成型工艺，其特征在于：所述冲孔底模上开设有落料孔，落料孔、冲孔左冲头以及冲孔右冲头同轴线设置。
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