鍛鋼活塞對提高內燃機的功率和實現節能減排具有重要的作用，傳統的鋁合金活塞已經不能滿足現在社會發展的使用要求，內燃機最大爆發壓力和升功率的提高往往會大幅度惡化活塞的工作狀況，降低活塞的安全可靠性。隨著國內發動機政策的不斷調整，對發動機的排放標準進行了調整，發動機會增加強化指數，以滿足高強化發動機的需求，使用鍛鋼活塞是一種有效的解決方案，為了適應市場的變化，緊跟市場的需求，我公司展開了鍛鋼活塞精密成形工藝的研究。
產品結構特征及其成形難點分析
本次開發的鍛造鋼制活塞(圖1)，是用于重型柴油機發動機的關鍵零件。該鍛件屬于深孔薄壁型結構，形狀和結構比較復雜，產品出模斜度1°～2°，屬于復雜類鍛件。此產品的尺寸精度要求較高，公差范圍小，內腔多為非加工面，屬于精密鍛件。針對該產品的結構特點，技術人員分析出生產制造過程中存在以下主要技術難點。
⑴鍛件形狀復雜，成形困難。鋼制活塞屬于精密鍛件，內腔深、裙部薄。裙部的深度為60mm，壁厚為9mm，裙部的深度和厚度比值為6.7，不易成形，屬于復雜形鍛件，由于活塞裙部薄，熱能損失大，溫度下降明顯，金屬流動性變差，對裙部的充滿更加不利。
⑵外觀質量要求高。從活塞頂毛坯圖紙看出，只加工兩個銷孔和活塞裙的頭部，其余部位均為非加工面，不允許有氧化皮坑，表面拋丸質量高。
⑶脫模困難。由于圖紙要求拔模斜度小，裙部拔模斜度僅為1°～2°；活塞裙部成形過程中金屬流動劇烈，坯料和模具表面的摩擦劇烈；活塞裙處溫降快，由于熱脹冷縮會增加脫模力；這些原因導致鍛件脫模困難。
⑷模具制造困難。由于產品結構復雜，反映到模具上模膛結構就比較復雜，加工困難，并且加工效率低，加工周期長，是影響生產的主要因素。
仿真模擬過程分析
結合我公司設備情況，確定了活塞的鍛造工藝方案為鐓粗→打扁→預鍛→終鍛。模具設計主要對模具的結構和生產過程進行研究，通過有限元分析軟件Deform 進行模擬參考，由于模擬和實際生產還存在一定的差距，生產過程中還是會產生很多的問題，需要通過實際試制跟蹤進行完善。
我公司很早便引入了Deform-3D 模擬仿真軟件，隨著對此軟件掌握程度的不斷提高，可以發現成形過程的一些問題，并提早進行優化，大幅度提高產品一次試制的成功率，縮短產品的開發周期。
鍛造工藝模擬相關參數見表1，圖2、圖3、圖4分別為鐓粗→打扁、預鍛和終鍛的工序模擬效果圖
在仿真模擬過程中發現兩個可能對產品產生缺陷的點見圖5，對優化模具設計方案起到很大幫助。
模具優化方案
⑴排氣孔的應用。通過模擬分析發現，在鍛件裙頂的四個尖點充滿困難，考慮到在生產過程中此部位又容易憋氣，通過討論分析，確定在模具最難充滿處設計四個φ6mm 的排氣孔。
⑵優化上模沖頭。通過模擬，上模沖頭處存在產生折疊的趨勢，分析原因為沖孔深度深，由于產品結構，在金屬流動時總會產生缺口，缺口的大小隨著深度的增加而增加，成正比的關系，最終確定先按圖紙要求設計，若生產中產生折疊，再通過降低沖頭高度來解決這個問題，并通過機械加工來滿足圖紙形狀尺寸的要求。
工藝流程制定及試制
活塞的整個生產工藝流程：下料→加熱(中頻爐)→鐓粗→打扁→預鍛→終鍛(2500t 螺旋壓力機)→切邊(630t 壓力機)→探傷→調質處理→表面清理→鍛件終檢。
⑴下料。根據鍛件圖尺寸，建立三維模型，通過實體造型及有限元模擬分析得出下料規格尺寸，采用高速帶鋸進行鋸切下料，長度公差為±1mm。
⑵加熱。42CrMoA 鍛造適宜溫度為1180～1220℃，工藝定制為中頻爐加熱，加熱節拍(40～50s)/件，采用紅外測溫儀進行溫度抽檢并做好記錄，避免造成坯料過熱、過燒。
⑶鍛制。在2500t 螺旋壓力機上生產，鍛造工序為鐓粗、打扁、預鍛、終鍛四步。每次鍛造完成后，需先用風管對模膛進行徹底清理，然后再用石墨進行模具潤滑冷卻，防止因氧化物堆積造成鍛件局部充型不完全。轉移過程要輕拿輕放，防止磕碰，影響鍛件表面質量。
⑷切邊。采用630t 壓力機一工步完成切邊過程。
⑸探傷。公司根據實際設備情況，使用磁粉探傷機對鍛件進行100%探傷。
⑹調質處理及終檢。根據技術協議要求的性能指標，技術人員確定熱處理工藝方案，產品熱處理后按照雙方會簽的技術協議進行理化檢驗。
經過工藝試制驗證，工藝參數及工藝流程方案合理可行，鍛件（圖6）的尺寸及性能均滿足技術要求，加強型鋼制活塞新產品研制成功。
結束語
我公司通過加強型鋼制活塞精密成形工藝的研究，不僅積累了一種新類型鍛件的生產經驗，而且從中應用并掌握了高精度模具制造、有限元模擬技術等一系列技術手段，為以后同類鍛件的生產奠定良好的基礎。
