汽油發(fā)動機是摩托車的心臟，有人稱化油器為摩托車發(fā)動機的心臟，而柱塞又是柱塞式化油器的心臟。因此，作為化油器心臟的柱塞，其材質的選用、工藝方法、表面處理水平，對化油器總成的性能有直接影響。本文就是對一種新工藝方法——冷擠壓柱塞的研制成果進行簡單的總結，與同行們共同探討。 

1　冷擠壓柱塞的研制 

    工業(yè)發(fā)達的日本，摩托車化油器柱塞早就全部采用冷擠壓毛坯和表面硬質陽極氧化工藝。其毛坯材料的化學成分如表1所示。表面處理后，硬度HV＞440。 

    要提高國產化油器柱塞的設計水平，我們對原材料的選用和成形方法、機加工和表面處理工藝進行了探索與研究。 

    1.1　柱塞成品所需的工藝過程 
    由于柱塞是化油器總成中的關鍵零件，其形狀較為復雜，精度要求高。因此，它的生產過程較長，其大致的工藝過程為：原材料選用�隼鋽D壓毛坯�鰴C械加工�霰砻嫣幚�。 

    1.2　材料的選用 
    為了加快試制進程，按照日本柱塞材料的化學成分，我們選取了兩種與之相近的鍛鋁進行試制，其化學成分如表2所示。這兩種鍛鋁的變形抗力較小，塑性好。我們與鋁材廠共同設計模具，專門配制，使毛坯用料的表面質量和尺寸精度都符合設計要求。 

    1.3　冷擠壓毛坯 

    柱塞的冷擠壓工藝，在我國的化油器行業(yè)中是一項新工藝，無成功的先例。因此，柱塞的冷擠壓工藝的成敗，直接決定著冷擠壓柱塞研制工作的成敗。  

    1.3.1　檢查材料  

    每批訂購的材料應抽查化學成分、表面質量和尺寸。符合要求的原材料才能投入生產。  

    1.3.2　切斷  

    由于毛坯用料為實心的棒料，切斷前先計算坯料長度。毛坯的體積按體積不變條件計算，并應加上修邊量，即  

    V0=Vp+Vs　　　　　　(1)  

    式中：V0為毛坯體積，mm3；Vp擠壓件體積，mm3；Vs為修邊量體積，mm3。一般情況下，Vs取Vp的3%～5%。  

    毛料的切斷長度為  

    h0=V0/A0　　　　　(2)  

    式中：h0為坯料長度，mm；A0為坯料橫斷面積，mm2。  

    1.3.3　去毛刺  

    去除坯料切斷時產生的毛刺。  

    1.3.4　軟化處理  

    為了降低毛坯的變形抗力，提高塑性，改善組織，細化晶粒，使坯料易于冷擠壓，在冷擠壓前進行軟化處理。具體的退火規(guī)范為：410℃±10℃，保溫4h，隨爐冷卻到150℃。檢測軟化處理前后的硬度結果：處理前坯料硬度為HB68～72；處理后坯料硬度為HB38～40。  

    1.3.5　涂潤滑劑  

    冷擠壓時，單位擠壓力很大。涂潤滑劑可減少擠壓力， 
使金屬流動性好，擠壓壁厚均勻，卸料力小，提高冷擠壓件的表面光潔度。使用潤滑劑為硬脂酸鋅粉。使用方法：將坯料清洗干凈，與粉狀硬脂酸鋅粉一起放在滾筒內滾動15min，使毛坯料牢固而均勻地涂上一層硬脂酸鋅。  

    1.3.6　冷擠壓毛坯  

    冷擠壓就是金屬坯料放入模具腔內，在強大的壓力和一定的速度作用下，迫使金屬從模腔中擠出，從而獲得所需形狀、尺寸以及具有一定的力學性能的擠壓件。顯然，冷擠壓是靠模具來控制金屬流動，靠金屬體積的大量轉移來形成零件毛坯的。  

    采用冷擠壓工藝，可以降低原材料消耗，材料利用率高達80%～90%；冷擠壓是在壓力機上進行的，壓力機的一次行程就可以完成簡單零件的成形。因此，與切削加工相比，生產率可以大幅度提高，生產成本也大為降低。在冷擠壓過程中，金屬材料處于三向不等的壓應力作用下，擠壓后金屬材料的晶粒組織會更加細小而密實；金屬流線不被切斷，而是沿著擠壓件輪廓連續(xù)分布(如圖2)；同時，由于冷擠壓利用了金屬材料經冷加工而產生加工硬化的特性，使冷擠壓件的強度大為提高。

    1.3.6.1　冷擠壓毛坯圖的設計  

    根據(jù)產品圖的設計要求，同時考慮盡量減少加工余量和不需要加工的原則。  
  
    由于柱塞的形狀不算太復雜，且用塑性好的鍛鋁進行冷擠壓，因此按一次擠壓成形的方案進行設計。 
  
    驗算斷面縮減率：  

    εA=(A0-A1)/A0×100%=d12/d02×100%=  
    132/17.72×100%=54%  

    未超過許用斷面縮減率的75%～90%，因此，可以一次成形。  

    零件上半部的內腔，可以考慮按照不用切削加工的方式，直接由沖頭的形狀與尺寸精度來保證。而零件下半部的內腔及外圓精度要求較高，必須留有余量，最終由切削加工來保證。在長度方向上也應給出金屬流動的變化范圍，由切削加工來達到成品的精度要求。 

    1.3.6.2　冷擠壓模具的設計  

    冷擠壓時的單位壓力很大，模具必須經得住靜態(tài)高壓，經得起沖擊，經得住毛坯與模具接觸面的摩擦，同時還要經得起疲勞。因此，為了確保模具的正常工作和使用壽命，冷擠壓模具應具有如下一些特點。  

    a.工作部分的材料應具有高強度、高硬度、高耐磨性、一定的韌性以及良好的熱應性、熱穩(wěn)定性、耐熱疲勞性等性能。  
    b.模具工作部分的過渡處皆應采用光滑的圓角過渡，以防止產生較大的應力集中而開裂，造成模具的早期失效。  
    c.模具工作部分與上、下底板之間一定要有厚實淬硬的壓力墊板，以緩和從凸模凹模傳來的超高壓力，防止壓壞上、下底板。  
    d.為了提高模具的工作部分的強度，冷擠壓凹模一般不采用整體式結構，而采用加預應力的組合式結構。  
    e.下底板采用具有足夠厚度的中碳鋼經鍛造制成，以保證模具具有較高的強度和剛性。   

模    套(凹模)：決定著毛坯的外圓尺寸精度，內表面必須光滑(Ra0.4μm)，以便于沖壓成形，有利于毛坯材料的流動。同時可防止退料時不被卡死。  

    上沖頭(凸模)：柱塞的內腔形狀(不要機加工)完全由上沖頭保證，設計和制作時要保證光滑和足夠的強度，防止沖壓時的斷裂現(xiàn)象。  

    下沖頭(反向凸模)：主要起柱塞下端成形和退料作用，表面同樣要光滑，并有足夠的強度。  

    以上3個關鍵零件在沖壓時要承受巨大沖擊力，因而其制作精度和強度非常重要。材料選用模具鋼Cr12MoV，淬火硬度為HRC60～62，精磨后用拋光方法保證表面光滑。  

    冷擠壓模是屬于無導向裝置的冷擠壓模，凸模的導向精度靠壓力機的導軌精度來保證。試制時，設計一個專用的對模套，將上沖頭與凹模的中心精心調整重合，再將下底板緊固于工作臺上。這種結構調整難度大，且由于機床導軌的精度而影響擠壓件壁厚的一致性。為了克服這種缺陷，在試制時，我們對另外幾個產品擬設計成導柱導套導向的冷擠壓模具。  

    a.計算擠壓力。  

    用理論計算法求得冷擠壓時的單位擠壓力的精確值是比較困難的。目前只能尋求近似解。在生產實際中，估算單位擠壓力一般采用如下數(shù)據(jù)。硬鋁擠壓：1000～1500MPa。由于斷面縮減率εA=54%，變形程度屬中間偏上，因此單位擠壓力取P=1400MPa，則擠壓力為  

    F=PA=P×π/4D2=  
    1400×π/4×17.72=344.5(kN)  

    b.選用壓力機。  
    根據(jù)計算的結果，再考慮充分的安全系數(shù)，公司現(xiàn)有的630kN沖床可以直接采用，不用新的投資，能量有儲備。  
    對冷擠壓使用的壓力機應提出如下一些特殊要求：能量要大，剛性要好，導向精度要高(特別是對于無導向的模具)，要具備頂出機構(可與模具配合使用)，要有可靠的過載保護裝置，能提供合適的擠壓速度�，F(xiàn)采用的標準型號的630kN沖床基本具備以上的一些要求，在試制中已滿足正常使用需要。  

    1.3.7　熱處理  

    為了減少冷擠壓件的內應力，并為后道工序的機械加工創(chuàng)造條件，現(xiàn)采用如下熱處理工藝。  
    a.加溫520℃±5℃，保溫3～3.5h，放入50℃～80℃的水中冷卻，冷卻時間在20s以內。  
    b.加溫160℃±5℃，保溫8～8.5h。  

    2　機械加工  

    主要工藝流程為：粗磨外圓→平車一端面及倒角→平車另一端面及凹孔→柱塞加工專機(包括銑長導向槽、短斜面、拱高面、油針孔等)→精磨外圓→噴丸去毛刺。其中的關鍵工序如下。  
    a.磨外圓：以磨代車，提高了生產率，又提高了加工質量(使用無心磨床)。由于鋁材表面較松軟，磨削時很容易粘砂輪而影響表面的磨削質量。因此，磨削砂輪必須選用硬度較低、粒度中等、大氣孔的碳化硅(黑、藍都可以)砂輪。冷卻液用煤油(或柴油)，沖刷效果非常好，可以防止粘砂輪現(xiàn)象。試制中，柱塞表面粗糙度可以達到Ra0.8μm的設計要求。  
    b.加工專機：為確保加工精度的提高，減少尺寸的散差，擬引進日本柱塞加工專機生產線。一次裝夾，多工位加工，生產效率和加工質量都得到充分的保證，加工的尺寸精度完全可以控制在設計精度以內。  
    c.噴丸去毛刺：主要是將加工毛刺去除干凈，可提高零件的表面光潔度，又可以為后面的表面硬質陽極氧化創(chuàng)造有利條件(有毛刺會引起的電擊傷零件而造成廢品)。  

    3　表面硬質陽極氧化處理  

    主要工藝流程為：除油→熱水洗→流動清水洗→堿腐蝕→流動清水洗→光亮零件→流動清水洗→上掛具→純水洗→硬質陽極氧化→流動清水洗→下掛具→封孔處理→干燥。  
    主要處理條件為：純水1000L，硫酸170L，甘油32L，硝酸3L；電流設定為32A，處理時間為40～45min；溫度為-4℃±1℃。  
    氧化膜厚度：試制品經測定為36～42μm。  
    表面硬度：樣品經測定為HV400～440(平均水平為HV420)。  

    4　結論  

    冷擠壓工藝具有“高產、優(yōu)質、低消耗”的優(yōu)點，在技術上和經濟上有很高的實用價值。摩托車化油器冷擠壓柱塞的研制，從冷擠壓毛坯工藝、機加工方法的改善和表面硬質陽極氧化工藝的實施，都是全新的嘗試。通過反復的工藝摸索，現(xiàn)已達到日本本田摩托車化油器柱塞的制造水平，為引進產品的柱塞國產化探索了一條工藝途徑。