盘类零件的设计与锻造工艺研究——以活塞锻件为例

盘类零件的设计与锻造工艺研究——以活塞锻件为例

陈志通

常州市双强机械制造有限公司

摘要：本论文围绕盘类零件的设计与锻造工艺展开研究，以活塞锻件为例，探讨其设计要求和制造过程。首先，介绍了盘类零件的基本特征，强调其在机械制造中的重要性。接着，分析了活塞锻件的具体设计要求.随后，阐述了活塞锻件的锻造工艺流程，并介绍了锻造过程中使用的主要设备与工具。特别关注了锻造温度与速度的控制，确保锻件质量和性能的稳定。最后，通过分析常见锻造缺陷如裂纹、折叠和内部气孔，提出了预防和控制这些缺陷的技术措施，并以某次活塞锻件的生产实例，展示了设计和制造措施的具体实施，以及锻造过程中的控制与后续措施。

关键词：盘类零件；活塞锻件；设计优化；锻造工艺

引言

盘类零件在机械制造领域中占有重要地位，其中活塞锻件作为发动机的关键零件[1]，其设计和锻造工艺尤为重要。本论文旨在系统研究盘类零件的设计理论与锻造工艺，重点探讨活塞锻件的设计要求及其锻造工艺流程。通过分析常见的锻造缺陷及其成因，提出相应的预防和控制措施，为提高活塞锻件的质量和性能提供理论依据和技术支持。

1盘类零件的设计理论

1.1盘类零件的基本特征

盘类零件广泛应用于机械制造领域，其主要特征是横截面呈现为环形或圆盘形。这类零件通常具有较大的外径与较小的厚度比例，其设计和制造的重点在于保证外圆和端面的几何精度及表面质量。常见的盘类零件包括飞轮、齿轮盘、刹车盘和活塞等。在设计盘类零件时，通常需要考虑以下几个方面：确保零件外形符合设计要求，特别是外圆和端面的平整度和同轴度；满足使用环境中的强度、刚度和耐磨性等机械性能要求；便于机械加工，减少加工难度和成本；并考虑在使用过程中所需的热处理工艺，以提高其性能。

1.2活塞锻件的设计要求

活塞锻件作为发动机中的关键零件，其设计要求非常严格。活塞的外圆和端面必须具有高精度，以确保在气缸内的密封性和运动平稳性，尺寸公差控制在极小范围内，保证与缸体的配合[2]。活塞在高温高压环境下工作，需要高强度和耐热性，通常选择高强度铝合金或其他耐高温材料。外圆和端面需有良好表面光洁度，以减少摩擦和磨损，延长使用寿命。为了减少发动机的惯性力，活塞设计需尽量减轻重量，同时保证强度和刚度。由于工作中温度剧变，设计需考虑材料的热膨胀特性，防止因热膨胀导致的卡滞和磨损。

2活塞锻件的锻造工艺

2.1锻造工艺简介

锻造工艺是利用锻锤或压力机对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形，以获得具有一定机械性能、形状和尺寸的锻件的加工方法。锻造可以细化金属内部的晶粒结构，改善其力学性能，提高材料的强度、韧性和耐磨性。活塞锻件的锻造工艺尤为重要，因为其必须在高温高压的发动机环境中工作，需要具备优良的机械性能和耐热性能。

2.2活塞锻件锻造工艺流程

活塞锻件的锻造工艺流程如图2-1所示。

图2-1活塞锻造工艺流程

2.3锻造设备与工具

活塞锻件的锻造过程需要使用各种设备和工具，以保证加工的精度和效率。主要设备和工具如表2-1所示。

表2-1锻造设备与工具表

通过合理选择和配置以上设备和工具，可以有效提高活塞锻件的锻造质量和生产效率，确保其满足严格的设计和使用要求。

2.4锻造温度与速度的控制

2.4.1锻造温度

锻造温度的选择需根据材料的特性和锻造工艺要求进行优化。适宜的锻造温度能提高材料的塑性，降低变形抗力，避免锻造缺陷的产生[3]。例如铝合金材料，通常在400-500°C范围内锻造，以保证材料的良好塑性和可加工性。加热均匀性方面，应保证坯料在加热过程中受热均匀，避免局部过热或烧损现象，并使用先进的控温设备和技术，确保加热温度的精确控制。保温时间根据坯料的大小和材料特性决定，确定适当的保温时间，使坯料内部温度均匀，减少锻造过程中温度梯度引起的应力和变形。

2.4.2锻造速度

锻造速度是指锻锤或压力机对坯料施加压力的速度，控制锻造速度可以有效改善锻件的内部组织和机械性能。在初锻阶段，应采用适中的锻造速度，以确保坯料能够充分变形，避免产生裂纹和其他缺陷，并保证锻造过程中材料能够稳步变形，减少内部应力和组织不均。而在精锻阶段，可适当提高锻造速度，以确保锻件形状和尺寸的精确度，同时减少表面氧化和脱碳现象。此外，根据材料特性和锻造工艺要求，合理控制变形速率，避免因过高速度引起的材料开裂和结构损伤。

3锻造缺陷分析与解决方案

3.1活塞锻件常见锻造缺陷与原因分析

3.1.1裂纹

裂纹是活塞锻件常见的锻造缺陷之一，通常出现在锻造过程中的高应力区域或不均匀变形区域。裂纹的形成主要受到以下因素的影响：首先是应力集中，锻造过程中材料的变形和流动可能导致某些区域的应力集中，从而引发裂纹的产生。其次是材料缺陷，原材料中存在的夹杂物、气泡或其他缺陷会成为裂纹的起始点，在锻造过程中易被拉伸和扩展。这些因素共同作用，增加了裂纹的形成风险，影响了活塞锻件的质量和性能。因此，在活塞锻件的生产过程中，需要采取有效的措施来减少裂纹的发生。

3.1.2折叠

折叠是指锻件表面或内部产生的皱褶状缺陷，通常由于材料在锻造过程中受到不均匀应力或过大应变而发生。折叠的形成主要受到以下因素影响：首先是材料的塑性不足，如果材料的塑性不足，容易在锻造过程中发生局部过度拉伸或挤压，导致表面形成折叠。其次是模具设计不合理，模具的设计不合理或加工精度不高，可能会导致锻造过程中材料流动不畅或应力分布不均匀，从而形成折叠。这些因素共同作用，增加了折叠的形成风险，影响了锻件的质量和外观。

3.1.3内部气孔

内部气孔是指活塞锻件内部存在的孔隙或气泡状缺陷，通常由于气体在坯料中的固溶度变化或冷却过程中气体无法完全排出而形成。内部气孔的形成主要受以下因素影响：首先是气体固溶度变化，在加热和锻造过程中，材料中的气体溶解度会发生变化，如果气体无法完全排出，就会在冷却过程中形成气孔。其次是坯料表面氧化，坯料表面氧化会形成气孔的障碍层，导致气体无法顺利排出，从而在锻造过程中形成内部气孔。这些因素共同作用，容易导致内部气孔的产生，影响了活塞锻件的密封性和机械性能。

3.2预防和控制缺陷的技术措施——以某次活塞锻件研发项目为例

3.2.1设计和制造措施的实施

在本次研究中，采取了一系列设计和制造措施来预防和控制产品缺陷。首先，在原材料检验阶段，研究对42CrMo材料的化学成分和表面质量进行严格把关。通过使用光谱仪和目测方法，确保每件材料都符合GB/T3077-1999和GB/T702-2017标准。例如，如果某批次材料的化学成分分析结果不符合标准，研究会立即隔离该批次材料，并进行进一步评审。

在尺寸控制方面，研究通过游标卡尺对产品直径进行精确测量，确保每个产品的直径尺寸控制在Φ60±0.5的公差范围内。如果发现产品尺寸超出公差，如直径为59.0mm，研究会将该产品标记为不合格，并进行隔离待评审。

重量监控也是研究质量控制的关键部分。通过使用电子秤对每个产品进行重量检测，确保重量在3.65±0.05kg的范围内，超出公差的产品，如3.70kg的产品，同样会被隔离并待评审。

3.2.2锻造过程控制与后续措施

在锻造过程中，研究特别注重温度管理。使用红外线测温枪监控坯料加热和锻造过程中的温度，确保始锻温度和终锻温度分别控制在1150±50℃和≥950℃。如果检测到温度低于规定范围，操作员会立即调整加热设备，以确保温度回升到规定范围内。

研究还通过目测和专检记录对产品表面质量进行检查，确保无折叠等缺陷，一旦发现问题，如产品表面有折叠，会立即采取隔离措施，并根据评审结果决定是否进行返工。此外，研究还制定了详细的作业指导书，如下料作业指导书，确保操作人员了解并正确执行每个生产步骤。这有助于减少操作错误，从而降低缺陷发生的概率。研究的质量控制计划还包括规定的检查和记录频率，如每炉号检查一次原材料，每小时检查一次产品重量，每两小时检查一次锻造温度。这种定期检查有助于及时发现问题并采取相应措施。最后，对于检测到的不合格产品，研究有明确的反应计划，包括隔离待评审和返工。这确保了不合格产品不会流入下一生产环节或最终用户。

4结语

本论文通过系统研究盘类零件，特别是活塞锻件的设计与锻造工艺，提出了一系列优化方案和技术措施。首先，明确了盘类零件的基本特征和设计要求，尤其是活塞锻件在尺寸精度、材料强度、表面质量、重量控制及热膨胀性方面的严格需求。接着，详细介绍了活塞锻件的锻造工艺流程，并重点讨论了锻造温度和速度的控制，确保锻件在生产过程中的质量和性能稳定。针对锻造过程中常见的缺陷，如裂纹、折叠和内部气孔，论文分析了其成因，并提出了预防和控制这些缺陷的具体技术措施。通过结合实际生产实例，展示了这些措施在实际应用中的有效性。

参考文献

[1]孙超.V28-1活塞模锻件精化设计与锻压工艺改进[J].轻合金加工技术,2015,43(09):54-59.

[2]曾茂燕.内燃机活塞模锻件的锻压工艺优化[J].热加工工艺,2017,46(07):189-192.

[3]刘江,徐皓,杨德行,等.38MnVS非调质钢活塞锻后控制冷却工艺[J].锻压技术,2022,47(01):180-184+202.

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