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技术研究报告

课题编号： ZC0206
课题名称：潍柴用WP7高性能柴油机活塞设计与制造
申请鉴定单位：山东滨州渤海活塞股份有限公司 （盖章）
申请鉴定日期：.6.30

一、国内外同类技术背景材料
汽车工业是国内国民经济重要产业,近几年汽车工业在跨越式发展，随着国内外对重型卡车和大型工程机械需求进一步扩大，柴油发动机正在向高负荷、高功率、高强度化方向发展，这对活塞自身性能提出了更高规定。
活塞是发动机上核心零部件，被称为发动机“心脏”，不但要满足发动机各项性能指标规定，同步还要承受交变机械负荷和热负荷;活塞特别是高性能活塞已发展成为高技术含量产品。
为满足市场需求和自身发展需要，潍柴动力集团在广泛市场调研基本上，依托公司强大技术力量，将WP7系列柴油机作为重要战略项目提出，并进行全新设计开发，满足市场需求，扩大国内市场占有率。
该发动机为废气涡轮增压中冷、直列、六缸、水冷、高压共轨、四冲程柴油机，该机构造紧凑、动力强劲、经济性好、排放指标欧Ⅳ，重要配套于中型载货车及工程机械车辆。在该发动机设计过程中，广泛吸取了当今先进设计理论及办法，总体设计水平先进，燃烧过程组织合理，排放达到欧Ⅳ原则，符合国内排放法规规定，市场前景十分辽阔。
WP7-35活塞是与该机型配套新型柴油机活塞，作为发动机核心零部件，活塞环槽设计采用先进三环槽构造，第一环槽将采用镶有耐磨镶圈双梯形槽，能有效防止因高温下机油碳化结焦引起活塞环卡滞、折断，使活塞环保持良好弹性及密封性，提高整机工作可靠性，耐磨镶圈由高镍奥氏体铸铁制成，增长了环槽耐磨性，使活塞使用寿命提高了1.5倍，减少了顾客使用成本；头部外圆采用大间隙锥体，对减少机油消耗和密封燃气具备较好作用；裙部为中凸椭圆型面，使活塞在工作状态时与缸套配合间隙合理、便于润滑油膜形成；活塞裙部表面石墨化解决，减少了活塞摩擦损失，裙部导向性得到了改进；活塞采用内冷腔构造可以迅速传递热量，减少了活塞热负荷；活塞销孔采用异形曲面设计进一步减少了销座应力峰值，提高了活塞销孔承压能力。这些办法同步提高了发动机工作可靠性。材料为性能优良共晶硅铝合金材料BH135+。以上活塞新技术应用使发动机运转平稳、油耗低、噪音小，可靠性高，完全适合当前重型载货车、工程机械发动机需求，市场前景十分辽阔。

二、技术方案论证
项当前期调研

项目可行性分析

发动机参数
设计原则
活塞方案设计

有限元分析
构造强度分析

引进铸淬工艺

模具改进
锻造毛坯工艺研究
盐芯模具研究

使用全自动生产线加工活塞

加工工艺研究

表面解决工艺研究

引进超声波探伤技术
使用全自动生产线加工活塞
全自动检查设备
实验验证

温度场测量温度

批量生产

三、技术特性
1.1 WP7-35活塞方案设计
本项目为我公司和潍柴动力集团联合开发，针对WP7系列柴油机性能规定及活塞设计参数，参照国内外先进活塞设计理论和经验，我公司在活塞构造优化及型面设计方面进行了全新设计。
① WP7发动机性能参数：
型式：直列、增压水冷、四冲程、六缸、高压共轨
缸径X冲程：108X130
活塞总排量：7.14L
压缩比：16:1
标定功率/转速：220(KW)/2300(r/min)
最大扭矩/转速：1100(N.m)/1700(r/min)
② 活塞重要技术参数
活塞总高：110.1mm
压缩高：71.2±0.03mm
裙部外圆椭圆长轴最大尺寸：107.89±0.009mm
销孔直径：Φ44（+0.012， +0.006）
材料：BH135+
1.2 WP7-35活塞构造设计：
1.2.1燃烧室形状设计：
依照发动机欧Ⅳ排放规定，为保证燃油与空气充分混合与燃烧，燃烧室形状由普通ω缩口形改为欧四排放燃烧室构造，并且燃烧室中间某些凸起，使空气与油束混合更加合理，提高了空气运用率。

1.2.2活塞冷却方式设计：
随着强化限度提高，活塞冷却也需要不断增强。当前，当单位面积功率Pf＜0.3Kw/cm2时，采用内腔喷油冷却，当Pf＞0.3Kw/cm2时,重要采用内冷油腔振荡冷却。WP7-35活塞单位面积功率为0.40 Kw/cm2，因此，选用内冷油腔振荡冷却方式。
该活塞采用内冷油道设计后，导热性好、可以迅速传递活塞所吸取热量，有效减少了活塞热负荷。
1.2.3润滑油导流方式：
普通柴油机活塞油环刮下润滑油普通经由与内腔相通回油孔泄油，对于WP7-35高强化柴油机活塞，考虑到冷却油量增长，取消原先内腔回油通孔设计，采用面窗外部回油，即在销座外侧锻造有凹面面窗，此构造可以使油环挂下润滑油迅速回流油底壳，也有减轻活塞重量作用。
1.2.4活塞材料研制
随着发动机强化限度提高，老式共晶铝硅合金材料强度已显得局限性，特别体当前高温强度。当前各重要活塞生产厂家正在积极开发运用高性能铝硅合金材料，在高温条件下具备更高疲劳强度，同步通过长时间工作后仍保持优良尺寸稳定性。我公司新研制开发BH135+材料，其高温强度、热疲劳强度与普通材料相比可提高25%左右。
1.2.5活塞头部截面形状
WP7-35活塞头部设计成导热良好“热流型”，既依照活塞热流通路，采用大圆弧过渡，以增长从顶部到裙部传热截面，从而将头部热流迅速传出，使活塞头部温度得到减少。

1.2.6异性销孔构造设计
为减少销孔内侧上缘比压，防止该处应力集中而疲劳损坏，同步也为了增长销孔储油能力，将WP7-35销孔设计成双喇叭形构造（如下图所示）；

1.2.7活塞裙部表面解决
为了提高活塞裙部磨合初期抗拉缸能力，在裙部外圆进行印刷石墨解决，石墨层厚度0.01-0.02mm。
1.2.8活塞裙部纵向型线设计
据超越函数理论，工作状态下活塞裙部将转化为柱形，若使活塞在热膨胀后纵向型线不是一条直线而是一中凸桶形曲线，这样在裙部表面与缸套之间形成一楔形油隙，则无论活塞运动方向如何，由于高速运动产生流体动力效应，使壁面间油压升高，并使两壁面为油膜分开，实现流体动力润滑效果，从而减少摩擦损失，并且活塞在下行过程中，裙部下半段油楔内产生较高油压效果，将有助于活塞保持好稳定导向作用。

裙部型线

1.2.9活塞裙部横向截面设计
活塞裙部椭圆度与发动机缸径、侧压力、强化限度、活塞材料和裙部壁厚等关于。WP7-35设计为椭圆度为0.35-0.40横向变椭圆形面，通过合理椭圆设计，使活塞横向设计成均压横向形线，既在65°-100°范畴内变形后摩擦面曲率半径与缸径接近，实现均压接触，侧压力均匀分布。

裙部横向截面

1.3活塞构造强度分析
在研制阶段拟定活塞寿命办法重要有两种：台架实验和计算。由于影响活塞寿命因素诸多、并且复杂，实际寿命离散度非常大，要通过台架实验成果总结在各种条件下受热件寿命及其分布规律，需要做大量、长时间且复杂寿命实验。因而对于活塞疲劳寿命仿真分析软件应用越来越受到产品设计人员关注。
(1) 有限元计算：通过有限元计算，拟定活塞温度场、热-机耦合应力场、活塞各部位变形量，再应用后解决程序，计算出活塞疲劳寿命和安全疲劳系数，保证活塞设计可靠性。在活塞设计阶段使用有限元分析和疲劳评价技术，设计人员可在活塞样件制造之前预测出活塞寿命，进行构造优化设计，将明显缩短活塞推向市场时间、提高产品可靠性、减少活塞研发费用。

(2)活塞在气缸内动力学分析：通过活塞动力模仿计算分析，计算出活塞在气缸中翻转角度、上止点换向对气缸敲击动能，模仿计算出发动机机油消耗和漏气量。

1.4锻造毛坯工艺研究
原材料进厂

液态铝配制

铝合金熔炼

成分检测

精炼解决

热解决
盐芯冲洗
盐芯生产
毛坯浇注

1.4.1液体铝合金配制

外购合金铝液通过成分调节后直接用于活塞生产，避免二次熔化 ，既可保证铝水质量稳定，又能达到良好节能效果。
1.4.2活塞合金铝液熔炼

成分调节、合金液变质使用工频炉，通过电-磁实现升温和搅拌，材料均匀，变质充分，年生产合格铝液3.5万吨以上。
1.4.3活塞合金铝液精炼

铝液精炼采用氮气-氯气旋转除气法，氮气、氯气流量压力可控，除气、除渣彻底干净，保证铝液清洁。
1.4.4毛坯浇注

公司自制QZ130A、QZ130B、QZ110等系列浇注机均可用于柴油机活塞毛坯生产。其中， QZ130A为半自动浇注机，是公司生产柴油机活塞毛坯重要设备； QZ110为我公司自行研制一机两模、正立式倾转全自动浇注机，该机型是公司柴油机毛坯浇注自动化重点机型； QZ130B为QZ130A改进型，重要用于压力锻造活塞毛坯生产。
1.4.5内冷油道冲洗

自动6工位盐芯冲洗设备，可以实现循环水冲洗、清水冲洗、高压空气吹干自动定期并切换。每只冲洗完活塞都要进行内冷通道滚钢球检查，保证每只活塞内冷通道畅通。
1.4.6活塞热解决

先进活塞时效热解决自动生产线，炉温均匀性±2℃，炉子温度和保温时间PLC自动控制，可以实现自动进炉和出炉，保证了活塞稳定性。
1.5活塞机加工生产

本活塞机加工选用了专门进行小批量、高精度活塞加工生产线。生产线为整体新上线，人员均长期从事小批高精活塞加工。环槽、燃烧室、顶面、外圆、销孔精加工均采用超硬材料刀具，保证严格公差规定与高精表面质量。
本活塞机加工工序：钻销孔→粗车止口→粗车外圆及顶面→内冷通道探伤→精车止口→粗镗销孔→钻内冷通道孔→精车环槽及半精车外圆→半精镗销孔→车挡圈槽及外口→车销孔内倒角→精车顶面、精车燃烧室→精镗销孔→精车外圆→去毛刺

1.5.1活塞质量控制点-精镗销孔

该工序为核心工序，重要控制点：销孔直径、圆柱度、偏移、压缩高、对外圆垂直度、异形销孔型线。
1.5.2活塞质量控制点-精车外圆

该工序为核心工序，重要控制点：外圆基准尺寸，椭圆长轴相对销孔中心线最大偏移、外圆型线及椭圆；一槽下侧面倒角。

1.5.3活塞质量控制点-内冷油道探伤

用于检测活塞内冷油道缺陷检测，也可用于镶环内侧面与与铝基体结合缺陷检测。
1.6表面解决生产

用全自动高压清洗机对活塞表面进行清洁，清洁活塞粘附铝屑或油迹。

应用最先进自动印刷机对活塞裙部进行石墨化解决。

对印刷完石墨活塞加温固化，以保证石墨层与活塞本体粘结强度。
1.7成品最后检测

最后检核对销孔直径、外圆大点等重要特性以及、标记、二维码、印刷层、表面质量进行100%检查，保证活塞高质量交付。
1.8温度场实验

把装入硬度塞活塞装入发动机，参照规范制定磨合环节。拆检发动机，从经自然冷却活塞中取出硬度塞，然后通过显微硬度计测量硬度塞顶面硬度，每个硬度塞测量4个点，取其平均值作为测量成果。通过测试WP7发动机稳定工况下WP7-35活塞表面温度分布，为活塞改进设计、数值模仿分析提供根据。
四、总体性能指标与国内外同类先进技术比较
1、活塞新材料研制
WP7-35活塞用国内独有BH135+材料，其高温强度、热疲劳强度与普通材料相比可提高25%左右。
2、欧Ⅳ燃烧室构造设计
燃烧室形状由普通ω缩口形改为国际先进欧Ⅳ排放燃烧室构造，并且燃烧室中间某些凸起，使空气与油束混合更加合理，提高了空气运用率。
3、应用内冷油腔冷却活塞头部
该活塞采用国际先进内冷油道设计后，导热性好、可以迅速传递活塞所吸取热量，有效减少了活塞热负荷。
4、活塞内冷探伤技术
购进活塞内冷油道超声波探伤设备，技术国际先进，对内冷通道检测迅速有效。
5、重要技术指标
A、活塞重要技术参数
活塞总高：110.1mm
压缩高：71.2±0.03mm
裙部外圆椭圆长轴最大尺寸：107.89±0.009mm
销孔直径：Φ44（+0.012， +0.006）
材料：BH135+
B、BH135+材料性能
硬度：105-135HBW
体积稳定性：≤0.025%D
常温抗拉强度：≥200MPa （20℃）
高温抗拉强度：≥83MPa （300℃）
C、WP7-35活塞单位面积功率为0.40 Kw/cm2，因此，选用内冷油腔振荡冷却方式。
D、WP7-35活塞头部设计成导热良好“热流型”，以增长从顶部到裙部传热截面，使活塞头部温度得到减少。
E、自主开发出高压冲盐芯设备，并迅速投入使用，使盐芯冲洗工作迅速有效，保证活塞内冷油道畅通。
F、活塞采用铸淬工艺，节约成本；活塞时效解决自动化，保证了活塞性能稳定性。
G、引进超声波探伤技术，研究出内冷油道位置标样和缺陷标样，对活塞内冷油道安全性严格把关。
五、技术成熟限度、
本项目实行开始，通过在原有技术基本上优化设计活塞构造，应用最新活塞锻造工艺、合理机加工工艺、先进表面解决技术、自主研发设计内冷油道冲洗机，引进内冷油道超声波探伤机，当前已在公司其他产品推广应用。到当前公司生产活塞5.5万只，销售收入425万元 。
六、对社会经济发展和科技进步意义
WP7-35高性能活塞设计开发，大大提高了我公司批量生产高附加
值产品产业层次，进一步巩固了我公司活塞研发生产在国际国内地位，增进了产品构造、技术构造调节，加速了自主品牌推广，打破了国外产品垄断。
七、推广应用条件和前景
高性能活塞设计开发符合国家产业政策，是国家、省、市重点支持发展领域；有助于老式活塞制造领域产业化升级，对地方经济和产业构造调节具备积极意义，对增进人员就业、社会稳定和保护环境具备重要意义。