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喷油器体闭塞温锻工艺技术研究
共轨式燃油喷射系统是柴油发动机上最重要的部件,作用是控制燃油在交变高压状态下精确喷射,而喷油器壳体(简称“喷油器体”)是共轨式燃油喷射系统的核心承压零件,其承受交变高压的能力直接决定了共轨系统乃至柴油发动机的性能,喷油器体的内部质量、表面精度和表面粗糙度要求非常高,目前一般使用锻造制坯,尤其是开式热模锻的工艺使用最为广泛。但是传统的开式热模锻存在工序多、材料利用率低、锻件金属流线不完整等问题,目前喷油器体的锻造开始逐步推广使用闭塞温锻工艺技术。

工艺方案

零件分析

喷油器体的规格和种类非常多,按照锻件主体上枝杈的数量一般可分为无枝杈喷油器壳体锻件、单枝杈喷油器壳体锻件及双枝杈喷油器壳体锻件,典型锻件结构如图1所示。

喷油器体原材料是影响产品性能的关键因素之一,主要有45钢、42CrMo、42CrMoS4等,不同类材料对于化学成分、非金属夹杂物及淬透性的要求各不相同,其中使用最为广泛的是42CrMoS4,其化学成分如表1所示。

闭塞锻造工艺流程

喷油器体的闭塞锻造工艺典型流程如图2所示。

工艺要点

⑴锻件图设计。
为了使锻件易于充满、易于脱模且模具加工方便,一般选取投影面积最大的位置作为分模面,典型锻件的分模面选取如图3所示。

⑵下料。

由于喷油器体使用闭塞锻造在封闭的模膛中成形,如果料重波动大,就会出现锻件充不满或者模具使用寿命低等问题。充分考虑到闭塞锻造的成形特点,目前一般使用锯床进行下料,严格控制料坯的重量,必要时还会在下一道工序前进行分重,进一步减小喷油器体锻造前的质量波动。考虑到锻件形状及技术要求、经济性等指标要求,推荐使用热轧剥皮棒料。如果坯料表面缺陷深度在0.3mm以下应返修打磨,超过0.3mm则报废处理。
⑶抛丸及预润滑。
由于是在温锻范围下进行锻造,为了提高产品的成形效果和增加模具使用寿命,需要在成形工序前对坯料进行表面处理。抛丸是为了增加坯料的表面粗糙度以便预润滑时石墨能够更好的残留在坯料表面,确定抛丸工艺参数时,要综合考虑坯料表面要求、单次抛丸数量、抛丸时间、丸粒寿命等因素。预润滑要根据锻件表面质量选择合适的润滑材料,目前一般使用能满足在1000℃使用的石墨溶液,再采用在线喷涂装置将石墨均匀的喷涂在坯料表面,不允许有石墨结块。
⑷闭塞锻造。
闭塞成形是金属坯料在封闭的模具型腔中塑性成形。因此,闭塞成形可以使锻件的几何形状、尺寸精度和表面质量最大限度地接近或完全达到产品的质量要求,可以大幅度提高产品的材料利用率和各项性能。喷油器体在闭塞成形中工件的成形规律、成形力及温度关键工艺参数的确定、成形工艺设备的选择以及工件最佳锻件形状结构和尺寸等都是决定其锻件质量的关键因素。为了减少测试成本,一般需要通过数值模拟来分析特定结构锻件的关键技术参数。图4是针对特定的喷油器体产品通过数值模拟获得的工件成形力的时间曲线,通过该曲线可以清楚的获得实现喷油器体充填良好所需要的最大变形力。

需要注意的是喷油器体闭塞成形时的工作载荷包括了两部分力,一部分是产品变形所需要的力,称作“变形力”,另一部分是为了保证模具闭合所需要的力,一般称作“闭塞力”。变形力的计算可参照GB/T 30567—2014推荐的经验公式P=kF计算获得,闭塞力由液压系统或者氮气弹簧等锻造设备配套装置提供,一般为变形力的70%~100%。

关键工艺装备

为了实现上述的工艺方案,需要配置相应的工艺装备,主要包括下料设备、抛丸设备、预润滑设备、热模锻压力机、热处理设备、检测装置、成形模具、锻件转移装置等,其中最为关键的是热模锻压力机的选型及成形模架和模具的设计。
⑴热模锻压力机。
喷油器体闭塞锻造的设备选择时需要考虑工件运动行程曲线及偏心载荷对工件锻造的影响,宜选择长行程、高导向精度的设备。图5是我公司生产喷油器体使用的LSP600热模锻压力机及配套用于锻件转移的机器人(也可以用步进梁),其公称压力大小为工作载荷的1.25倍以上,顶出行程宜大于工件长度的50%。设备配套有提供闭塞力的液压系统,能够在闭塞成形时让模具保持闭合状态。

⑵成形模架和模具。

闭塞锻造的模架一般采用带有上浮动、下浮动或上下浮动凹模结构的模架。
图6所示为我公司拥有专利且在实际生产过程中使用的一种闭塞锻造模具,该模具采用带有下浮动凹模结构的模架,上模板和下模板上下相对设置,合模油缸固连在下模板上表面,下垫板连接在合模油缸活塞上端,下模芯连接在下垫板上表面,下模套包围在下模芯外侧,下冲头竖直穿过下垫板伸入下模芯型腔,下顶杆竖直穿过合模油缸从下向上对准下冲头,上模座固连在上模板下底面上,上模座底面设有放置槽,两个上行楔块、下行楔块和左、右楔块设置在放置槽中,合模油缸的油缸盖上固连调整垫块,上模芯通过上垫板固连在上模座上,上模套包围在上模外侧,上冲头上端与下行楔块固连,其下端穿过上垫板伸入上模芯的型腔。该模架能够在单动压力机上实现双向挤压功能,毛坯成形时双向受力,无飞边产生。

闭塞成形模具的设计与喷油器体的结构形状和尺寸精度等要求密切相关,图7是我公司在生产双枝杈喷油器体时使用的一种基于斜楔机构的闭塞成形模具,通过侧向分型,实现一步闭塞锻造成形,简化了锻造工艺,提高了生产效率和产品性能,易于实现机械化和自动化。

主要问题及改进

喷油器体的内外部质量要求非常高,实际生产中主要存在的问题如下:⑴充不满;⑵关键部位尺寸波动大;⑶硬度不满足工艺规范;⑷表面或内部出现裂纹;⑸模具失效快导致模具平均寿命低;⑹分模位置易产生毛刺。
为了解决这些问题,采取的主要改进措施包括:⑴不断优化工艺参数获得不同材质喷油器体的最佳工艺参数组合;⑵改进模具结构和强度;⑶引入先进的磁粉探伤装置提高检测精度;⑷采用在线热处理并增加关键参数监控装置。
经过对喷油器体闭塞成形中各种问题的持续改进,我公司最终实现了不同类型喷油器体的均质生产,典型喷油器体锻件如图8所示。

结束语

喷油器体的质量要求高,采用闭塞温锻成形技术可以实现其高效均质生产,经过多年的工艺实践探索,我公司目前已实现了不同类型喷油器体的量产,生产节拍每分钟6~8件,后续拟通过工艺改进和信息化技术的应用来进一步提高产品生产效率和质量稳定性,增强产品的市场竞争力。

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