技術(shù)研究報告

1、技術(shù)研究報告 課題編號： 2011ZC0206 課題名稱：濰柴用WP7高性能柴油機活塞設(shè)計與制造 申請鑒定單位：山東濱州渤海活塞股份有限公司 （蓋章） 申請鑒定日期：2014.6.30一、國內(nèi)外同類技術(shù)的背景材料 汽車工業(yè)是我國國民經(jīng)濟的重要產(chǎn)業(yè),近幾年汽車工業(yè)在跨越式發(fā)展，隨著國內(nèi)外對重型卡車和大型工程機械需求的進(jìn)一步擴大，柴油發(fā)動機正在向高負(fù)荷、高功率、高強度化方向發(fā)展，這對活塞本身的性能提出了更高的要求。活塞是發(fā)動機上的關(guān)鍵零部件，被稱為發(fā)動機的“心臟”，不但要滿足發(fā)動機各項性能指標(biāo)要求，同時還要承受交變的機械負(fù)荷和熱負(fù)荷;活塞特別是高性能活塞已發(fā)展成為高技術(shù)含量產(chǎn)品。為滿足市場的需求和

2、自身發(fā)展的需要，濰柴動力集團(tuán)在廣泛市場調(diào)研的基礎(chǔ)上，依托公司強大的技術(shù)力量，將WP7系列柴油機作為重要戰(zhàn)略項目提出，并進(jìn)行全新設(shè)計開發(fā)，滿足市場的需求，擴大國內(nèi)市場占有率。該發(fā)動機為廢氣渦輪增壓中冷、直列、六缸、水冷、高壓共軌、四沖程柴油機，該機結(jié)構(gòu)緊湊、動力強勁、經(jīng)濟性好、排放指標(biāo)歐，主要配套于中型載貨車及工程機械車輛。在該發(fā)動機設(shè)計過程中，廣泛吸收了當(dāng)今先進(jìn)設(shè)計理論及方法，總體設(shè)計水平先進(jìn)，燃燒過程組織合理，排放達(dá)到歐標(biāo)準(zhǔn)，符合我國排放法規(guī)的要求，市場前景十分廣闊。WP7-35活塞是與該機型配套的新型柴油機活塞，作為發(fā)動機的關(guān)鍵零部件，活塞環(huán)槽設(shè)計采用先進(jìn)的三環(huán)槽結(jié)構(gòu)，第一環(huán)槽將采用鑲有耐

3、磨鑲?cè)Φ碾p梯形槽，能有效防止因高溫下機油碳化結(jié)焦引起的活塞環(huán)卡滯、折斷，使活塞環(huán)保持良好彈性及密封性，提高整機工作可靠性，耐磨鑲?cè)τ筛哝噴W氏體鑄鐵制成，增加了環(huán)槽的耐磨性，使活塞的使用壽命提高了1.5倍，降低了用戶的使用成本；頭部外圓采用大間隙錐體，對降低機油消耗和密封燃?xì)饩哂泻芎玫淖饔茫蝗共繛橹型箼E圓型面，使活塞在工作狀態(tài)時與缸套配合間隙合理、便于潤滑油膜的形成；活塞裙部表面石墨化處理，減少了活塞摩擦損失，裙部導(dǎo)向性得到了改善；活塞采用內(nèi)冷腔結(jié)構(gòu)能夠迅速的傳遞熱量，降低了活塞的熱負(fù)荷；活塞銷孔采用異形曲面設(shè)計進(jìn)一步降低了銷座應(yīng)力峰值，提高了活塞銷孔的承壓能力。這些措施同時提高了發(fā)動機工作可靠

4、性。材料為性能優(yōu)良的共晶硅鋁合金材料BH135+。以上活塞新技術(shù)的應(yīng)用使發(fā)動機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、油耗低、噪音小，可靠性高，完全適合當(dāng)前重型載貨車、工程機械發(fā)動機的需求，市場前景十分廣闊。二、技術(shù)方案論證項目前期調(diào)研項目可行性分析發(fā)動機參數(shù)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)活塞方案設(shè)計有限元分析結(jié)構(gòu)強度分析引進(jìn)鑄淬工藝模具改進(jìn)鑄造毛坯工藝研究鹽芯模具研究使用全自動生產(chǎn)線加工活塞加工工藝研究表面處理工藝研究引進(jìn)超聲波探傷技術(shù)使用全自動生產(chǎn)線加工活塞全自動檢驗設(shè)備試驗驗證溫度場測量溫度批量生產(chǎn)三、技術(shù)特征1.1 WP7-35活塞方案設(shè)計本項目為我公司和濰柴動力集團(tuán)聯(lián)合開發(fā)，針對WP7系列柴油機的性能要求及活塞的設(shè)計參數(shù)，參考國內(nèi)外先

5、進(jìn)的活塞設(shè)計理論和經(jīng)驗，我公司在活塞的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及型面設(shè)計方面進(jìn)行了全新設(shè)計。 WP7發(fā)動機性能參數(shù)：型式：直列、增壓水冷、四沖程、六缸、高壓共軌缸徑X沖程：108X130活塞總排量：7.14L壓縮比：16:1標(biāo)定功率/轉(zhuǎn)速：220(KW)/2300(r/min) 最大扭矩/轉(zhuǎn)速：1100(N.m)/1700(r/min) 活塞主要技術(shù)參數(shù)活塞總高：110.1mm壓縮高：71.2±0.03mm裙部外圓橢圓長軸最大尺寸：107.89±0.009mm銷孔直徑：44（+0.012， +0.006）材料：BH135+1.2 WP7-35活塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計：1.2.1燃燒室形狀的設(shè)計：根據(jù)

6、發(fā)動機歐排放要求，為保證燃油與空氣的充分混合與燃燒，燃燒室形狀由普通的縮口形改為歐四排放燃燒室結(jié)構(gòu)，并且燃燒室中間部分凸起，使空氣與油束混合更加合理，提高了空氣的利用率。1.2.2活塞冷卻方式的設(shè)計：隨著強化程度的提高，活塞的冷卻也需要不斷的增強。目前，當(dāng)單位面積功率Pf0.3Kw/cm2時，采用內(nèi)腔噴油冷卻，當(dāng)Pf0.3Kw/cm2時,主要采用內(nèi)冷油腔振蕩冷卻。WP7-35活塞的單位面積功率為0.40 Kw/cm2，所以，選用內(nèi)冷油腔振蕩冷卻方式。該活塞采用內(nèi)冷油道設(shè)計后，導(dǎo)熱性好、能夠迅速的傳遞活塞所吸收的熱量，有效降低了活塞的熱負(fù)荷。1.2.3潤滑油導(dǎo)流方式：普通柴油機活塞油環(huán)刮下的潤滑

7、油一般經(jīng)由與內(nèi)腔相通的回油孔泄油，對于WP7-35高強化柴油機活塞，考慮到冷卻油量的增加，取消原先的內(nèi)腔回油通孔的設(shè)計，采用面窗外部回油，即在銷座外側(cè)鑄造有凹面面窗，此結(jié)構(gòu)可以使油環(huán)掛下的潤滑油迅速回流油底殼，也有減輕活塞重量的作用。1.2.4活塞材料的研制隨著發(fā)動機強化程度的提高，傳統(tǒng)的共晶鋁硅合金材料的強度已顯得不足，特別表現(xiàn)在高溫強度。目前各主要活塞生產(chǎn)廠家正在積極開發(fā)利用高性能的鋁硅合金材料，在高溫條件下具有更高疲勞強度，同時經(jīng)過長時間工作后仍保持優(yōu)良的尺寸穩(wěn)定性。我公司新研制開發(fā)的BH135+材料，其高溫強度、熱疲勞強度與普通材料相比可提高25%左右。1.2.5活塞頭部截面形狀WP7

8、-35活塞的頭部設(shè)計成導(dǎo)熱良好的“熱流型”，既根據(jù)活塞的熱流通路，采用大圓弧過渡，以增加從頂部到裙部的傳熱截面，從而將頭部熱流迅速傳出，使活塞的頭部溫度得到降低。1.2.6異性銷孔結(jié)構(gòu)設(shè)計為降低銷孔內(nèi)側(cè)上緣比壓，防止該處應(yīng)力集中而疲勞損壞，同時也為了增加銷孔的儲油能力，將WP7-35銷孔設(shè)計成雙喇叭形結(jié)構(gòu)（如下圖所示）；1.2.7活塞裙部表面處理為了提高活塞裙部的磨合初期抗拉缸能力，在裙部外圓進(jìn)行印刷石墨處理，石墨層厚度0.01-0.02mm。1.2.8活塞裙部縱向型線的設(shè)計據(jù)超越函數(shù)理論，工作狀態(tài)下活塞裙部將轉(zhuǎn)化為柱形，若使活塞在熱膨脹后縱向型線不是一條直線而是一中凸的桶形曲線，這樣在裙部表

9、面與缸套之間形成一楔形油隙，則不論活塞運動方向如何，由于高速運動產(chǎn)生流體動力效應(yīng)，使壁面間油壓升高，并使兩壁面為油膜分開，實現(xiàn)流體動力潤滑效果，從而降低摩擦損失，并且活塞在下行過程中，裙部下半段油楔內(nèi)產(chǎn)生較高的油壓效果，將有助于活塞保持好的穩(wěn)定導(dǎo)向作用。裙部型線1.2.9活塞裙部橫向截面設(shè)計活塞裙部橢圓度與發(fā)動機缸徑、側(cè)壓力、強化程度、活塞材料和裙部壁厚等有關(guān)。WP7-35設(shè)計為橢圓度為0.35-0.40的橫向變橢圓形面，通過合理的橢圓設(shè)計，使活塞橫向設(shè)計成均壓橫向形線，既在65°-100°范圍內(nèi)變形后的摩擦面的曲率半徑與缸徑接近，實現(xiàn)均壓接觸，側(cè)壓力均勻分布。裙部橫向截面

10、1.3活塞結(jié)構(gòu)強度分析在研制階段確定活塞壽命的方法主要有兩種：臺架試驗和計算。由于影響活塞壽命的因素很多、而且復(fù)雜，實際壽命的離散度非常大，要通過臺架試驗結(jié)果總結(jié)在各種條件下受熱件的壽命及其分布規(guī)律，需要做大量、長時間且復(fù)雜的壽命試驗。因此對于活塞疲勞壽命的仿真分析軟件的應(yīng)用越來越受到產(chǎn)品設(shè)計人員的關(guān)注。(1) 有限元計算：通過有限元計算，確定活塞的溫度場、熱-機耦合的應(yīng)力場、活塞各部位的變形量，再應(yīng)用后處理程序，計算出活塞的疲勞壽命和安全疲勞系數(shù)，保證活塞設(shè)計的可靠性。在活塞設(shè)計階段使用有限元分析和疲勞評價技術(shù)，設(shè)計人員可在活塞樣件制造之前預(yù)測出活塞壽命，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，將顯著縮短活塞推向

11、市場的時間、提高產(chǎn)品可靠性、降低活塞研發(fā)費用。 (2)活塞在氣缸內(nèi)的動力學(xué)分析：通過活塞動力模擬計算分析，計算出活塞在氣缸中的翻轉(zhuǎn)角度、上止點換向?qū)飧椎那脫魟幽?，模擬計算出發(fā)動機的機油消耗和漏氣量。 1.4鑄造毛坯工藝研究原材料進(jìn)廠液態(tài)鋁配制鋁合金熔煉成分檢測精煉處理熱處理鹽芯沖洗鹽芯生產(chǎn)毛坯澆注1.4.1液體鋁合金配制外購合金鋁液經(jīng)過成分調(diào)整后直接用于活塞生產(chǎn)，避免二次熔化 ，既可保證鋁水質(zhì)量的穩(wěn)定，又能達(dá)到良好的節(jié)能效果。1.4.2活塞合金鋁液熔煉成分調(diào)整、合金液變質(zhì)使用工頻爐，通過電-磁實現(xiàn)升溫和攪拌，材料均勻，變質(zhì)充分，年生產(chǎn)合格鋁液3.5萬噸以上。 1.4.3活塞合金鋁液精煉鋁液精

12、煉采用氮氣-氯氣旋轉(zhuǎn)除氣法，氮氣、氯氣流量壓力可控，除氣、除渣徹底干凈，保證鋁液清潔。 1.4.4毛坯澆注公司自制的QZ130A、QZ130B、QZ110等系列澆注機均可用于柴油機活塞毛坯的生產(chǎn)。其中， QZ130A為半自動澆注機，是公司生產(chǎn)柴油機活塞毛坯的主要設(shè)備； QZ110為我公司自行研制的一機兩模、正立式傾轉(zhuǎn)全自動澆注機，該機型是公司柴油機毛坯澆注自動化的重點機型； QZ130B為QZ130A的改進(jìn)型，主要用于壓力鑄造活塞毛坯的生產(chǎn)。1.4.5內(nèi)冷油道沖洗自動6工位鹽芯沖洗設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)循環(huán)水沖洗、清水沖洗、高壓空氣吹干自動定時并切換。每只沖洗完的活塞都要進(jìn)行內(nèi)冷通道滾鋼球檢驗，保證每

13、只活塞內(nèi)冷通道暢通。1.4.6活塞熱處理先進(jìn)的活塞時效熱處理自動生產(chǎn)線，爐溫均勻性±2，爐子溫度和保溫時間PLC自動控制，能夠?qū)崿F(xiàn)自動進(jìn)爐和出爐，保證了活塞的穩(wěn)定性。 1.5活塞機加工生產(chǎn)本活塞機加工選用了專門進(jìn)行小批量、高精度活塞加工的生產(chǎn)線。生產(chǎn)線為2010年整體新上線，人員均長期從事小批高精活塞加工。環(huán)槽、燃燒室、頂面、外圓、銷孔的精加工均采用超硬材料刀具，確保嚴(yán)格的公差要求與高精的表面質(zhì)量。本活塞機加工工序：鉆銷孔粗車止口粗車外圓及頂面內(nèi)冷通道探傷精車止口粗鏜銷孔鉆內(nèi)冷通道孔精車環(huán)槽及半精車外圓半精鏜銷孔車擋圈槽及外口車銷孔內(nèi)倒角精車頂面、精車燃燒室精鏜銷孔精車外圓去毛刺1.

14、5.1活塞質(zhì)量控制點-精鏜銷孔該工序為關(guān)鍵工序，主要控制點：銷孔直徑、圓柱度、偏移、壓縮高、對外圓垂直度、異形銷孔型線。1.5.2活塞質(zhì)量控制點-精車外圓 該工序為關(guān)鍵工序，主要控制點：外圓基準(zhǔn)尺寸，橢圓長軸相對銷孔中心線的最大偏移、外圓型線及橢圓；一槽下側(cè)面倒角。1.5.3活塞質(zhì)量控制點-內(nèi)冷油道探傷用于檢測活塞內(nèi)冷油道缺陷檢測，也可用于鑲環(huán)內(nèi)側(cè)面與與鋁基體結(jié)合缺陷的檢測。1.6表面處理生產(chǎn)用全自動高壓清洗機對活塞表面進(jìn)行清潔，清潔活塞粘附的鋁屑或油跡。應(yīng)用最先進(jìn)的自動印刷機對活塞裙部進(jìn)行石墨化處理。對印刷完石墨的活塞加溫固化，以保證石墨層與活塞本體的粘結(jié)強度。1.7成品最終檢測最終檢驗對銷

15、孔直徑、外圓大點等重要特性以及、標(biāo)識、二維碼、印刷層、表面質(zhì)量進(jìn)行100%檢驗，確?；钊母哔|(zhì)量交付。 1.8溫度場試驗把裝入硬度塞的活塞裝入發(fā)動機，參照規(guī)范制定磨合步驟。拆檢發(fā)動機，從經(jīng)自然冷卻的活塞中取出硬度塞，然后通過顯微硬度計測量硬度塞頂面的硬度，每個硬度塞測量4個點，取其平均值作為測量結(jié)果。通過測試WP7發(fā)動機穩(wěn)定工況下WP7-35活塞表面溫度分布，為活塞改進(jìn)設(shè)計、數(shù)值模擬分析提供依據(jù)。四、總體性能指標(biāo)與國內(nèi)外同類先進(jìn)技術(shù)的比較1、活塞新材料研制WP7-35活塞用國內(nèi)獨有的BH135+材料，其高溫強度、熱疲勞強度與普通材料相比可提高25%左右。2、歐燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計燃燒室形狀由普通的縮

16、口形改為國際先進(jìn)的歐排放燃燒室結(jié)構(gòu)，并且燃燒室中間部分凸起，使空氣與油束混合更加合理，提高了空氣的利用率。3、應(yīng)用內(nèi)冷油腔冷卻活塞頭部該活塞采用國際先進(jìn)的內(nèi)冷油道設(shè)計后，導(dǎo)熱性好、能夠迅速的傳遞活塞所吸收的熱量，有效降低了活塞的熱負(fù)荷。4、活塞內(nèi)冷探傷技術(shù)購進(jìn)活塞內(nèi)冷油道超聲波探傷設(shè)備，技術(shù)國際先進(jìn)，對內(nèi)冷通道的檢測快速有效。5、主要技術(shù)指標(biāo)A、活塞主要技術(shù)參數(shù)活塞總高：110.1mm壓縮高：71.2±0.03mm裙部外圓橢圓長軸最大尺寸：107.89±0.009mm銷孔直徑：44（+0.012， +0.006）材料：BH135+B、BH135+材料性能硬度：105-135

17、HBW體積穩(wěn)定性：0.025%D常溫抗拉強度：200MPa （20）高溫抗拉強度：83MPa （300）C、WP7-35活塞的單位面積功率為0.40 Kw/cm2，所以，選用內(nèi)冷油腔振蕩冷卻方式。D、WP7-35活塞的頭部設(shè)計成導(dǎo)熱良好的“熱流型”，以增加從頂部到裙部的傳熱截面，使活塞的頭部溫度得到降低。E、自主開發(fā)出高壓沖鹽芯設(shè)備，并快速投入使用，使鹽芯沖洗工作快速有效，保證活塞內(nèi)冷油道的暢通。F、活塞采用鑄淬工藝，節(jié)約成本；活塞時效處理自動化，保證了活塞性能的穩(wěn)定性。G、引進(jìn)超聲波探傷技術(shù)，研究出內(nèi)冷油道位置標(biāo)樣和缺陷標(biāo)樣，對活塞內(nèi)冷油道的安全性嚴(yán)格把關(guān)。五、技術(shù)成熟程度、本項目實施開始，通過在原有技術(shù)基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計活塞結(jié)構(gòu)，應(yīng)用最新的活塞鑄造工藝、合理的機加工工藝、先進(jìn)的表面處理技術(shù)、自主研發(fā)設(shè)計的內(nèi)冷油道沖洗機，引進(jìn)內(nèi)冷油道超聲波探傷機，目