哈工大熱處理原理與工藝大作業(yè)-汽車活塞熱處理

1、Page 1活塞是汽車發(fā)動機的活塞是汽車發(fā)動機的“心臟心臟”，承受交變，承受交變的機械負荷和熱負荷，是發(fā)動機中工作條的機械負荷和熱負荷，是發(fā)動機中工作條件最惡劣的關(guān)鍵零部件之一?；钊墓τ眉類毫拥年P(guān)鍵零部件之一?；钊墓τ檬浅惺軞怏w壓力，并通過活塞銷傳給連桿是承受氣體壓力，并通過活塞銷傳給連桿驅(qū)使曲軸旋轉(zhuǎn)，活塞頂部還是燃燒室的組驅(qū)使曲軸旋轉(zhuǎn)，活塞頂部還是燃燒室的組成部分。成部分。Page 2活塞工作條件：活塞在高溫、高壓、高速、潤滑不良的活塞工作條件：活塞在高溫、高壓、高速、潤滑不良的條件下工作。條件下工作?；钊苯优c高溫氣體接觸，瞬時溫度可達2500K以上，因此，受熱嚴重，而散熱條件又很差

2、，所以活塞工作時溫度很高，頂部高達600700K，且溫度分布很不均勻；活塞頂部承受氣體壓力很大，特別是作功行程壓力最大，汽油機高達35MPa，柴油機高達69MPa，這就使得活塞產(chǎn)生沖擊，并承受側(cè)壓力的作用；活塞在氣缸內(nèi)以很高的速度（812m/s）往復運動，且速度在不斷地變化，這就產(chǎn)生了很大的慣性力，使活塞受到很大的附加載荷?；钊谶@種惡劣的條件下工作，會產(chǎn)生變形并加速磨損，還會產(chǎn)生附加載荷和熱應力，同時受到燃氣的化學腐蝕作用。Page 3失效形式有：磨損失效形式有：磨損 、偏磨、偏磨、 機械損傷和燒融機械損傷和燒融常見的失效形式有活塞頂面裂紋 活塞環(huán)槽過度磨損 活塞銷座裂紋 銷孔咬合 環(huán)岸和裙

3、部脆斷等。在發(fā)動機工作時，活塞環(huán)槽與活塞、活塞銷座孔與活塞銷、活塞裙與缸壁分別都構(gòu)成了摩擦副 1汽車工作的時候活塞環(huán)槽和活汽車工作的時候活塞環(huán)槽和活塞，活塞、銷座孔和活塞銷，活塞，活塞、銷座孔和活塞銷，活塞裙與缸壁都分別構(gòu)成了摩擦副，塞裙與缸壁都分別構(gòu)成了摩擦副，所以很容易產(chǎn)生磨損所以很容易產(chǎn)生磨損2當活塞中心線與氣缸中心線不當活塞中心線與氣缸中心線不重合的時候活塞會出現(xiàn)偏向磨損，重合的時候活塞會出現(xiàn)偏向磨損，簡稱偏磨。簡稱偏磨。3燒融一般發(fā)生在活塞頂部和第燒融一般發(fā)生在活塞頂部和第一第二環(huán)槽處，一般以頂面的融一第二環(huán)槽處，一般以頂面的融洞、穿孔和頭部圓周槽狀缺口為洞、穿孔和頭部圓周槽狀缺口為

4、主要形式主要形式在發(fā)動機工作時，活塞環(huán)槽與活塞、活塞銷座孔與活塞銷、活塞裙與缸壁分別都構(gòu)成了摩擦副 Page 4 內(nèi)燃機活塞在高溫高壓高負荷條件下工作，對活塞的要求內(nèi)燃機活塞在高溫高壓高負荷條件下工作，對活塞的要求相對較高，因此主要談談內(nèi)燃機活塞的分類。相對較高，因此主要談談內(nèi)燃機活塞的分類。n1. 按使用的燃料來分，可分為汽油機活塞、柴油機活塞、天燃氣活塞。按使用的燃料來分，可分為汽油機活塞、柴油機活塞、天燃氣活塞。n2. 按制造活塞的材料來分，可分為鑄鐵活塞、鋼活塞、鋁合金活塞及按制造活塞的材料來分，可分為鑄鐵活塞、鋼活塞、鋁合金活塞及組合活塞。組合活塞。n3. 按制造活塞毛坯的工藝來分，

5、可分為重力鑄造活塞、擠壓鑄造活塞、按制造活塞毛坯的工藝來分，可分為重力鑄造活塞、擠壓鑄造活塞、鍛造活塞。鍛造活塞。n4. 按活塞的工作狀況來分，可分為非增壓活塞和增壓活塞兩大類。按活塞的工作狀況來分，可分為非增壓活塞和增壓活塞兩大類。n5.按活塞的用途來分，可分為轎車活塞、卡車活塞、摩托車活塞、船按活塞的用途來分，可分為轎車活塞、卡車活塞、摩托車活塞、船用活塞、坦克活塞、拖拉機活塞、剪草機活塞等。用活塞、坦克活塞、拖拉機活塞、剪草機活塞等。Page 5材料要求材料要求(1).要有足夠的剛度和強度，傳力可靠；(2).導熱性好，耐高壓、耐高溫、耐磨損；(3).質(zhì)量小，重量輕，盡可能減小往復慣性力(

6、4).熱膨脹系數(shù)小。 Page 6n鋁合金活塞鋁合金活塞 n鋁合金的突出優(yōu)點是密度小，可大大減少活塞的質(zhì)量及往復運動的慣性力，因此鋁合金活塞常常應用于中、小缸徑鋁合金的突出優(yōu)點是密度小，可大大減少活塞的質(zhì)量及往復運動的慣性力，因此鋁合金活塞常常應用于中、小缸徑的中、高速內(nèi)燃機上，尤其以汽車發(fā)動機中居多。的中、高速內(nèi)燃機上，尤其以汽車發(fā)動機中居多。鑄鐵活塞鑄鐵活塞 n鑄鋼活塞鑄鋼活塞 鑄鋼的機械強度高，耐熱性、耐蝕性以及耐磨性均優(yōu)于鋁合金和鑄鐵，具有高的彈性模量，優(yōu)良而穩(wěn)定的高溫性能鑄鋼的機械強度高，耐熱性、耐蝕性以及耐磨性均優(yōu)于鋁合金和鑄鐵，具有高的彈性模量，優(yōu)良而穩(wěn)定的高溫性能和比較低的線膨

7、脹系數(shù)等優(yōu)點，但缺點是密度大、加工麻煩、成本高，對缸套的磨損嚴重。和比較低的線膨脹系數(shù)等優(yōu)點，但缺點是密度大、加工麻煩、成本高，對缸套的磨損嚴重。鑲體活塞鑲體活塞 為解決鋁活塞的硬度隨著溫度升高而大幅度下降的問題，采取在活塞的環(huán)槽處鑲一導熱系數(shù)較小且熱膨脹系數(shù)與活為解決鋁活塞的硬度隨著溫度升高而大幅度下降的問題，采取在活塞的環(huán)槽處鑲一導熱系數(shù)較小且熱膨脹系數(shù)與活塞基體合金相近的材料制成的環(huán)槽圈，這樣既強化了環(huán)槽，又對活塞熱量外流起了限制作用。塞基體合金相近的材料制成的環(huán)槽圈，這樣既強化了環(huán)槽，又對活塞熱量外流起了限制作用。 n陶瓷活塞陶瓷活塞 陶瓷是用于汽車發(fā)動機上的新材料，具有質(zhì)量輕、耐磨、

8、絕熱性好、高溫強度大等優(yōu)點?；钊沾苫闹饕獌?yōu)點有：陶瓷是用于汽車發(fā)動機上的新材料，具有質(zhì)量輕、耐磨、絕熱性好、高溫強度大等優(yōu)點?；钊沾苫闹饕獌?yōu)點有：n可實現(xiàn)部分或全絕熱，從而取消冷卻系統(tǒng)并且回收廢氣能量以降低油耗；可實現(xiàn)部分或全絕熱，從而取消冷卻系統(tǒng)并且回收廢氣能量以降低油耗；n降低高強化柴油機活塞的溫度，特別是環(huán)槽的溫度；降低高強化柴油機活塞的溫度，特別是環(huán)槽的溫度；n 改善排放。全陶瓷活塞目前還無成功的應用實例，但組合式陶瓷活塞已在特種發(fā)動機上得到了一定的應用。改善排放。全陶瓷活塞目前還無成功的應用實例，但組合式陶瓷活塞已在特種發(fā)動機上得到了一定的應用。 鋁基復合材料活塞鋁基復合材料

9、活塞 以輕金屬為基體的復合材料除了具有基體金屬的性能外，還具有更突出的優(yōu)點，主要表現(xiàn)在復合材料重量輕、動載以輕金屬為基體的復合材料除了具有基體金屬的性能外，還具有更突出的優(yōu)點，主要表現(xiàn)在復合材料重量輕、動載荷小、耐磨性好，與基體合金相比其高溫強度和抗熱疲勞性能明顯提高，并具有較低的線膨脹系數(shù)。荷小、耐磨性好，與基體合金相比其高溫強度和抗熱疲勞性能明顯提高，并具有較低的線膨脹系數(shù)。n Page 71. 以活塞銷孔為中心的加工表面。以活塞銷孔為中心的加工表面。加工工藝加工工藝2.以活塞中心線為中心的加工表面以活塞中心線為中心的加工表面3.工藝規(guī)程設計工藝規(guī)程設計這兩組加工表面之間有一定的位置要求。

10、環(huán)岸對活塞軸心的徑向跳動最大允差為0.1 ,環(huán)槽底對活塞裙部軸心的最大允差為0.15 ,環(huán)槽側(cè)面對活塞裙部軸心線垂直度不超過25 0.07,跳動不超過0.25 ?；?塞銷孔圓柱度為0.00125 ,兩銷孔同軸度誤差在最大實體狀態(tài)時為零，銷孔軸心線對裙部軸心線垂直度為100 0.0353.1 確定毛坯的制造形式3.2定位基準的選擇3.3 制訂工藝路線3.4 加工工序的最后確定 Page 8最后加工工序最后加工工序 工序工序 1.鉆活塞銷孔鉆活塞銷孔 以外圓表面和內(nèi)頂及內(nèi)表面為粗基準，選用Z148組合機床,刀具為高速鋼麻花鉆。 工序工序 2.銑兩側(cè)銷座凹坑銑兩側(cè)銷座凹坑 以外圓表面內(nèi)表面為定位基準

11、，選用80618專用銑床，成型銑刀。 工序工序 3.車止口車止口 以外圓、頂面定位，活塞專用機床，硬質(zhì)合金刀具。 工序工序 4.銑回油槽銑回油槽 止口定位，ZF014活塞專用機床，高速鋼圓盤銑刀具。 工序工序 5.粗精車外圓頂面環(huán)槽環(huán)岸并倒角粗精車外圓頂面環(huán)槽環(huán)岸并倒角 止口定位，六軸自動車床，成型車刀。 工序工序 6.中間檢驗中間檢驗 工序工序 7.擴活塞銷孔擴活塞銷孔 26.8 自定心夾緊，銷座角向定位基面,Z149組合機床，高速鋼擴孔鉆。 工序工序 8.鉆銷座油孔鉆銷座油孔 5 選用4023臺鉆，高速鋼鉆頭。Page 9工序工序 9.粗鏜、半精鏜活塞銷孔粗鏜、半精鏜活塞銷孔 27.52

12、選用金剛鏜床加工，硬質(zhì)合金刀具。 工序工序10.精車裙部橢圓精車裙部橢圓 101.6 活塞套車機加工，高速鋼車刀。 工序工序11.去毛刺去毛刺 工序工序12.精鏜活塞銷孔精鏜活塞銷孔 以銷孔為角向定位， 選用金剛鏜床加工,高速鋼車刀。工序工序13.中間檢驗中間檢驗 工序工序14.切卡環(huán)槽切卡環(huán)槽 30.5 C2-115車床,高速鋼車刀。 工序工序15.銷孔座內(nèi)側(cè)倒角銷孔座內(nèi)側(cè)倒角 80226專用車床，成型車刀。 工序工序16.滾擠活塞銷孔滾擠活塞銷孔 ZA125 立式鉆床，脈沖滾壓器。 工序工序17.去毛刺去毛刺 工序工序18.清洗吹凈活塞清洗吹凈活塞 DTX40-J-G通過式清洗機。 工序工

13、序19.終檢活塞終檢活塞 工序工序20.裝配前裙部分組尺寸復檢裝配前裙部分組尺寸復檢Page 10n 在汽車活塞在汽車活塞環(huán)中環(huán)中，以球鐵活塞環(huán)為例，講一下汽車活塞環(huán)的熱處理工以球鐵活塞環(huán)為例，講一下汽車活塞環(huán)的熱處理工藝。藝。n球墨鑄鐵是由球狀石墨和鐵的基體組成。球墨鑄鐵是由球狀石墨和鐵的基體組成。n雙片球鐵環(huán)毛坯的退火和正火：雙片球鐵環(huán)鑄造毛坯的基體組織以珠光體和雙片球鐵環(huán)毛坯的退火和正火：雙片球鐵環(huán)鑄造毛坯的基體組織以珠光體和鐵素體為主，還有少量的滲碳體（自由滲碳體）。這樣就必須通過退火和正鐵素體為主，還有少量的滲碳體（自由滲碳體）。這樣就必須通過退火和正火來消除多余的滲碳體，同時雙片球

14、鐵環(huán)毛坯鑄態(tài)硬度高，在雙片切片加工火來消除多余的滲碳體，同時雙片球鐵環(huán)毛坯鑄態(tài)硬度高，在雙片切片加工時刀具磨損快，也需要通過退火和正火來降低硬度，便于加工。時刀具磨損快，也需要通過退火和正火來降低硬度，便于加工。n退火和正火的具體工藝是在共析轉(zhuǎn)變臨界溫度退火和正火的具體工藝是在共析轉(zhuǎn)變臨界溫度AC點以上的高溫石墨化處理，點以上的高溫石墨化處理，一般處理的溫度為一般處理的溫度為930度到度到950度，鑄態(tài)基體中的鐵素體和珠光體都變成了奧度，鑄態(tài)基體中的鐵素體和珠光體都變成了奧氏體，而碳化物分解成奧氏體和石墨。氏體，而碳化物分解成奧氏體和石墨。n冷卻時可以出爐空冷即為正火處理，或者隨爐冷卻即為退火

15、處理，經(jīng)過這兩冷卻時可以出爐空冷即為正火處理，或者隨爐冷卻即為退火處理，經(jīng)過這兩把火處理以后毛坯基體組織分解為鐵素體和少量珠光體，碳化物要求達到把火處理以后毛坯基體組織分解為鐵素體和少量珠光體，碳化物要求達到3%以下，即可達到要求。以下，即可達到要求。Page 11Page 12n 2、球鐵環(huán)切片后的調(diào)質(zhì)處理：、球鐵環(huán)切片后的調(diào)質(zhì)處理：n 正常情況下，球鐵環(huán)的鑄態(tài)組織都不均勻，需要經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后才能使用，鑄正常情況下，球鐵環(huán)的鑄態(tài)組織都不均勻，需要經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后才能使用，鑄態(tài)和調(diào)質(zhì)后的狀態(tài)性能差別很大，如圖：態(tài)和調(diào)質(zhì)后的狀態(tài)性能差別很大，如圖：n 雙片球鐵經(jīng)過切片，在粗磨雙端后就可以進行調(diào)質(zhì)處

16、理，即進行淬火加高溫回雙片球鐵經(jīng)過切片，在粗磨雙端后就可以進行調(diào)質(zhì)處理，即進行淬火加高溫回火處理，是將球鐵毛坯加熱到火處理，是將球鐵毛坯加熱到AC溫度以上加熱，使基體內(nèi)的鐵素體和珠光體溫度以上加熱，使基體內(nèi)的鐵素體和珠光體完全奧氏體化，淬火時轉(zhuǎn)變成馬氏體，再經(jīng)過高溫回火轉(zhuǎn)變成回火索氏體，回完全奧氏體化，淬火時轉(zhuǎn)變成馬氏體，再經(jīng)過高溫回火轉(zhuǎn)變成回火索氏體，回火索氏體具有較高的韌性、強度和硬度，綜合機械性能優(yōu)良?；鹚魇象w具有較高的韌性、強度和硬度，綜合機械性能優(yōu)良。Page 13Page 14n 雙片球鐵環(huán)毛坯金相組織中的碳化物控制在雙片球鐵環(huán)毛坯金相組織中的碳化物控制在5%以下，鐵素體含量在以下

17、，鐵素體含量在30%以以下，用低溫軟化退火來代替高溫石墨化退火或者正火工藝。目的是使珠光下，用低溫軟化退火來代替高溫石墨化退火或者正火工藝。目的是使珠光體部分分解成鐵素體，降低硬度，便于切片加工，低溫軟化退火工藝如下體部分分解成鐵素體，降低硬度，便于切片加工，低溫軟化退火工藝如下圖：圖：n 低溫軟化退火溫度低、時間短，毛坯和工裝基本無氧化脫碳，不需要防氧低溫軟化退火溫度低、時間短，毛坯和工裝基本無氧化脫碳，不需要防氧化脫碳保護，電耗和退火成本大幅度下降，生產(chǎn)效率也很高，是值得推廣化脫碳保護，電耗和退火成本大幅度下降，生產(chǎn)效率也很高，是值得推廣的。的。Page 15n 活塞檢驗主要是裙部直徑、活

18、塞環(huán)槽高度和活塞銷座孔尺活塞檢驗主要是裙部直徑、活塞環(huán)槽高度和活塞銷座孔尺寸的測量寸的測量n 裙部直徑：一種方法是用千分尺測量活塞裙部規(guī)定的測量裙部直徑：一種方法是用千分尺測量活塞裙部規(guī)定的測量位置。將在此位置測得的數(shù)據(jù)與氣缸磨損最大部位的測量位置。將在此位置測得的數(shù)據(jù)與氣缸磨損最大部位的測量值相減，并用所得差值與配缸間隙值相比較，即可確定該值相減，并用所得差值與配缸間隙值相比較，即可確定該活塞可否使用?；钊煞袷褂?。 第二種采用測量配缸間隙的方法來確定第二種采用測量配缸間隙的方法來確定活塞可否使用?；钊煞袷褂?。n 活塞環(huán)槽的測量：安裝氣環(huán)的環(huán)槽，用標準氣環(huán)裝入其內(nèi)，活塞環(huán)槽的測量：安裝氣環(huán)的環(huán)槽，用標準氣環(huán)裝入其內(nèi)，用塞尺測量其側(cè)隙，即可確定其是否符合要求用塞尺測量其側(cè)隙