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(dòng)機(jī)的活塞是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的“心臟心臟”，承受交變，承受交變的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷，是發(fā)動(dòng)機(jī)中工作條的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷，是發(fā)動(dòng)機(jī)中工作條件最惡劣的關(guān)鍵零部件之一。活塞的功用件最惡劣的關(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(shí)溫度可達(dá)2500K以上，因此，受熱嚴(yán)重，而散熱條件又很差

2、，所以活塞工作時(shí)溫度很高，頂部高達(dá)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(jī)高達(dá)35MPa，柴油機(jī)高達(dá)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(fù)運(yùn)動(dòng)，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(huì)產(chǎn)生變形并加速磨損，還會(huì)產(chǎn)生附加載荷和熱應(yīng)力，同時(shí)受到燃?xì)獾幕瘜W(xué)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(jī)械損傷和燒融機(jī)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(dòng)機(jī)工作時(shí)，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(shí)候活塞環(huán)槽和活汽車工作的時(shí)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(dāng)活塞中心線與氣缸中心線不當(dāng)活塞中心線與氣缸中心線不重合的時(shí)候活塞會(huì)出現(xiàn)偏向磨損，重合的時(shí)候活塞會(huì)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(dòng)機(jī)工作時(shí)，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(jī)活塞在高溫高壓高負(fù)荷條件下工作，對活塞的要求內(nèi)燃機(jī)活塞在高溫高壓高負(fù)荷條件下工作，對活塞的要求相對較高，因此主要談?wù)剝?nèi)燃機(jī)活塞的分類。相對較高，因此主要談?wù)剝?nèi)燃機(jī)活塞的分類。n1. 按使用的燃料來分，可分為汽油機(jī)活塞、柴油機(jī)活塞、天燃?xì)饣钊?。按使用的燃料來分，可分為汽油機(jī)活塞、柴油機(jī)活塞、天燃?xì)饣钊?。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(jī)活塞、剪草機(jī)活塞等。用活塞、坦克活塞、拖拉機(jī)活塞、剪草機(jī)活塞等。Page 5材料要求材料要求(1).要有足夠的剛度和強(qiáng)度，傳力可靠；(2).導(dǎo)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(fù)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(diǎn)是密度小，可大大減少活塞的質(zhì)量及往復(fù)運(yùn)動(dòng)的慣性力，因此鋁合金活塞常常應(yīng)用于中、小缸徑鋁合金的突出優(yōu)點(diǎn)是密度小，可大大減少活塞的質(zhì)量及往復(fù)運(yùn)動(dòng)的慣性力，因此鋁合金活塞常常應(yīng)用于中、小缸徑的中、高速內(nèi)燃機(jī)上，尤其以汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中居多。的中、高速內(nèi)燃機(jī)上，尤其以汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中居多。鑄鐵活塞鑄鐵活塞 n鑄鋼活塞鑄鋼活塞 鑄鋼的機(jī)械強(qiáng)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(jī)械強(qiáng)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(diǎn)，但缺點(diǎn)是密度大、加工麻煩、成本高，對缸套的磨損嚴(yán)重。和比較低的線膨脹系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是密度大、加工麻煩、成本高，對缸套的磨損嚴(yán)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(dǎo)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(dǎo)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(qiáng)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(qiáng)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(dòng)機(jī)上的新材料，具有質(zhì)量輕、耐磨、

8、絕熱性好、高溫強(qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn)?；钊沾苫闹饕獌?yōu)點(diǎn)有：陶瓷是用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上的新材料，具有質(zhì)量輕、耐磨、絕熱性好、高溫強(qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn)。活塞陶瓷化的主要優(yōu)點(diǎn)有：n可實(shí)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(shí)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(qiáng)化柴油機(jī)活塞的溫度，特別是環(huán)槽的溫度；降低高強(qiáng)化柴油機(jī)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(yīng)用實(shí)例，但組合式陶瓷活塞已在特種發(fā)動(dòng)機(jī)上得到了一定的應(yīng)用。改善排放。全陶瓷活塞目前還無成功的應(yīng)用實(shí)例，但組合式陶瓷活塞已在特種發(fā)動(dòng)機(jī)上得到了一定的應(yīng)用。 鋁基復(fù)合材料活塞鋁基復(fù)合材料

9、活塞 以輕金屬為基體的復(fù)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(diǎn)，主要表現(xiàn)在復(fù)合材料重量輕、動(dòng)載以輕金屬為基體的復(fù)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(diǎn)，主要表現(xiàn)在復(fù)合材料重量輕、動(dòng)載荷小、耐磨性好，與基體合金相比其高溫強(qiáng)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(qiáng)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(shè)計(jì)工藝規(guī)程設(shè)計(jì)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(dòng)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(dòng)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(shí)體狀態(tài)時(shí)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(zhǔn)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(zhǔn)，選用Z148組合機(jī)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(zhǔn)

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(jī)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(jī)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(dòng)車床，成型車刀。 工序工序 6.中間檢驗(yàn)中間檢驗(yàn) 工序工序 7.擴(kuò)活塞銷孔擴(kuò)活塞銷孔 26.8 自定心夾緊，銷座角向定位基面,Z149組合機(jī)床，高速鋼擴(kuò)孔鉆。 工序工序 8.鉆銷座油孔鉆銷座油孔 5 選用4023臺(tái)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(jī)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(yàn)中間檢驗(yàn) 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(jī)。 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(fù)檢裝配前裙部分組尺寸復(fù)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(shí)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(shí)雙片球鐵環(huán)毛坯鑄態(tài)硬度高，在雙片切片加工時(shí)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(shí)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(diǎn)以上的高溫石墨化處理，點(diǎn)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(shí)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(shí)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(dá)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(dá)到3%以下，即可達(dá)到要求。以下，即可達(dá)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(jìn)行調(diào)質(zhì)處

16、理，即進(jìn)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(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，即進(jìn)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(shí)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(shí)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(qiáng)度和硬度，綜合機(jī)械性能優(yōu)良?；鹚魇象w具有較高的韌性、強(qiáng)度和硬度，綜合機(jī)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(shí)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(shí)間短，毛坯和工裝基本無氧化脫碳，不需要防氧化脫碳保護(hù)，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(hù)，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(yàn)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(yàn)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。活塞可否使用。n 活塞環(huán)槽的測量：安裝氣環(huán)的環(huán)槽，用標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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