1、技術研究報告 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、國內外同類技術的背景材料 汽車工業是我國國民經濟的重要產業,近幾年汽車工業在跨越式發展，隨著國內外對重型卡車和大型工程機械需求的進一步擴大，柴油發動機正在向高負荷、高功率、高強度化方向發展，這對活塞本身的性能提出了更高的要求。活塞是發動機上的關鍵零部件，被稱為發動機的“心臟”，不但要滿足發動機各項性能指標要求，同時還要承受交變的機械負荷和熱負荷;活塞特別是高性能活塞已發展成為高技術含量產品。為滿足市場的需求和

2、自身發展的需要，濰柴動力集團在廣泛市場調研的基礎上，依托公司強大的技術力量，將WP7系列柴油機作為重要戰略項目提出，并進行全新設計開發，滿足市場的需求，擴大國內市場占有率。該發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，該機結構緊湊、動力強勁、經濟性好、排放指標歐，主要配套于中型載貨車及工程機械車輛。在該發動機設計過程中，廣泛吸收了當今先進設計理論及方法，總體設計水平先進，燃燒過程組織合理，排放達到歐標準，符合我國排放法規的要求，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，作為發動機的關鍵零部件，活塞環槽設計采用先進的三環槽結構，第一環槽將采用鑲有耐

3、磨鑲圈的雙梯形槽，能有效防止因高溫下機油碳化結焦引起的活塞環卡滯、折斷，使活塞環保持良好彈性及密封性，提高整機工作可靠性，耐磨鑲圈由高鎳奧氏體鑄鐵制成，增加了環槽的耐磨性，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氣具有很好的作用；裙部為中凸橢圓型面，使活塞在工作狀態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，裙部導向性得到了改善；活塞采用內冷腔結構能夠迅速的傳遞熱量，降低了活塞的熱負荷；活塞銷孔采用異形曲面設計進一步降低了銷座應力峰值，提高了活塞銷孔的承壓能力。這些措施同時提高了發動機工作可靠

4、性。材料為性能優良的共晶硅鋁合金材料BH135+。以上活塞新技術的應用使發動機運轉平穩、油耗低、噪音小，可靠性高，完全適合當前重型載貨車、工程機械發動機的需求，市場前景十分廣闊。二、技術方案論證項目前期調研項目可行性分析發動機參數設計標準活塞方案設計有限元分析結構強度分析引進鑄淬工藝模具改進鑄造毛坯工藝研究鹽芯模具研究使用全自動生產線加工活塞加工工藝研究表面處理工藝研究引進超聲波探傷技術使用全自動生產線加工活塞全自動檢驗設備試驗驗證溫度場測量溫度批量生產三、技術特征1.1 WP7-35活塞方案設計本項目為我公司和濰柴動力集團聯合開發，針對WP7系列柴油機的性能要求及活塞的設計參數，參考國內外先

5、進的活塞設計理論和經驗，我公司在活塞的結構優化及型面設計方面進行了全新設計。 WP7發動機性能參數：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標定功率/轉速：220(KW)/2300(r/min) 最大扭矩/轉速：1100(N.m)/1700(r/min) 活塞主要技術參數活塞總高：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活塞的結構設計：1.2.1燃燒室形狀的設計：根據

6、發動機歐排放要求，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構，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，當單位面積功率Pf0.3Kw/cm2時，采用內腔噴油冷卻，當Pf0.3Kw/cm2時,主要采用內冷油腔振蕩冷卻。WP7-35活塞的單位面積功率為0.40 Kw/cm2，所以，選用內冷油腔振蕩冷卻方式。該活塞采用內冷油道設計后，導熱性好、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荷。1.2.3潤滑油導流方式：普通柴油機活塞油環刮下的潤滑

7、油一般經由與內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，取消原先的內腔回油通孔的設計，采用面窗外部回油，即在銷座外側鑄造有凹面面窗，此結構可以使油環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動機強化程度的提高，傳統的共晶鋁硅合金材料的強度已顯得不足，特別表現在高溫強度。目前各主要活塞生產廠家正在積極開發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，同時經過長時間工作后仍保持優良的尺寸穩定性。我公司新研制開發的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活塞的頭部設計成導熱良好的“熱流型”，既根據活塞的熱流通路，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異性銷孔結構設計為降低銷孔內側上緣比壓，防止該處應力集中而疲勞損壞，同時也為了增加銷孔的儲油能力，將WP7-35銷孔設計成雙喇叭形結構（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計據超越函數理論，工作狀態下活塞裙部將轉化為柱形，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，由于高速運動產生流體動力效應，使壁面間油壓升高，并使兩壁面為油膜分開，實現流體動力潤滑效果，從而降低摩擦損失，并且活塞在下行過程中，裙部下半段油楔內產生較高的油壓效果，將有助于活塞保持好的穩定導向作用。裙部型線1.2.9活塞裙部橫向截面設計活塞裙部橢圓度與發動機缸徑、側壓力、強化程度、活塞材料和裙部壁厚等有關。WP7-35設計為橢圓度為0.35-0.40的橫向變橢圓形面，通過合理的橢圓設計，使活塞橫向設計成均壓橫向形線，既在65°-100°范圍內變形后的摩擦面的曲率半徑與缸徑接近，實現均壓接觸，側壓力均勻分布。裙部橫向截面

10、1.3活塞結構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、而且復雜，實際壽命的離散度非常大，要通過臺架試驗結果總結在各種條件下受熱件的壽命及其分布規律，需要做大量、長時間且復雜的壽命試驗。因此對于活塞疲勞壽命的仿真分析軟件的應用越來越受到產品設計人員的關注。(1) 有限元計算：通過有限元計算，確定活塞的溫度場、熱-機耦合的應力場、活塞各部位的變形量，再應用后處理程序，計算出活塞的疲勞壽命和安全疲勞系數，保證活塞設計的可靠性。在活塞設計階段使用有限元分析和疲勞評價技術，設計人員可在活塞樣件制造之前預測出活塞壽命，進行結構優化設計，將顯著縮短活塞推向

11、市場的時間、提高產品可靠性、降低活塞研發費用。 (2)活塞在氣缸內的動力學分析：通過活塞動力模擬計算分析，計算出活塞在氣缸中的翻轉角度、上止點換向對氣缸的敲擊動能，模擬計算出發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廠液態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毛坯澆注1.4.1液體鋁合金配制外購合金鋁液經過成分調整后直接用于活塞生產，避免二次熔化 ，既可保證鋁水質量的穩定，又能達到良好的節能效果。1.4.2活塞合金鋁液熔煉成分調整、合金液變質使用工頻爐，通過電-磁實現升溫和攪拌，材料均勻，變質充分，年生產合格鋁液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。其中， QZ130A為半自動澆注機，是公司生產柴油機活塞毛坯的主要設備； QZ110為我公司自行研制的一機兩模、正立式傾轉全自動澆注機，該機型是公司柴油機毛坯澆注自動化的重點機型； QZ130B為QZ130A的改進型，主要用于壓力鑄造活塞毛坯的生產。1.4.5內冷油道沖洗自動6工位鹽芯沖洗設備，能夠實現循環水沖洗、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行內冷通道滾鋼球檢驗，保證每

13、只活塞內冷通道暢通。1.4.6活塞熱處理先進的活塞時效熱處理自動生產線，爐溫均勻性±2，爐子溫度和保溫時間PLC自動控制，能夠實現自動進爐和出爐，保證了活塞的穩定性。 1.5活塞機加工生產本活塞機加工選用了專門進行小批量、高精度活塞加工的生產線。生產線為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，確保嚴格的公差要求與高精的表面質量。本活塞機加工工序：鉆銷孔粗車止口粗車外圓及頂面內冷通道探傷精車止口粗鏜銷孔鉆內冷通道孔精車環槽及半精車外圓半精鏜銷孔車擋圈槽及外口車銷孔內倒角精車頂面、精車燃燒室精鏜銷孔精車外圓去毛刺1.

14、5.1活塞質量控制點-精鏜銷孔該工序為關鍵工序，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活塞質量控制點-精車外圓 該工序為關鍵工序，主要控制點：外圓基準尺寸，橢圓長軸相對銷孔中心線的最大偏移、外圓型線及橢圓；一槽下側面倒角。1.5.3活塞質量控制點-內冷油道探傷用于檢測活塞內冷油道缺陷檢測，也可用于鑲環內側面與與鋁基體結合缺陷的檢測。1.6表面處理生產用全自動高壓清洗機對活塞表面進行清潔，清潔活塞粘附的鋁屑或油跡。應用最先進的自動印刷機對活塞裙部進行石墨化處理。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、標識、二維碼、印刷層、表面質量進行100%檢驗，確保活塞的高質量交付。 1.8溫度場試驗把裝入硬度塞的活塞裝入發動機，參照規范制定磨合步驟。拆檢發動機，從經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果。通過測試WP7發動機穩定工況下WP7-35活塞表面溫度分布，為活塞改進設計、數值模擬分析提供依據。四、總體性能指標與國內外同類先進技術的比較1、活塞新材料研制WP7-35活塞用國內獨有的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、歐燃燒室結構設計燃燒室形狀由普通的縮

16、口形改為國際先進的歐排放燃燒室結構，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、應用內冷油腔冷卻活塞頭部該活塞采用國際先進的內冷油道設計后，導熱性好、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荷。4、活塞內冷探傷技術購進活塞內冷油道超聲波探傷設備，技術國際先進，對內冷通道的檢測快速有效。5、主要技術指標A、活塞主要技術參數活塞總高：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，選用內冷油腔振蕩冷卻方式。D、WP7-35活塞的頭部設計成導熱良好的“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、自主開發出高壓沖鹽芯設備，并快速投入使用，使鹽芯沖洗工作快速有效，保證活塞內冷油道的暢通。F、活塞采用鑄淬工藝，節約成本；活塞時效處理自動化，保證了活塞性能的穩定性。G、引進超聲波探傷技術，研究出內冷油道位置標樣和缺陷標樣，對活塞內冷油道的安全性嚴格把關。五、技術成熟程度、本項目實施開始，通過在原有技術基礎上優化設計活塞結構，應用最新的活塞鑄造工藝、合理的機加工工藝、先進的表面處理技術、自主研發設計的內冷油道沖洗機，引進內冷油道超聲波探傷機，目