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球面销锻造模具设计及冷锻技术应用

本文以球面销为研究对象,分析球面销的锻造模具设计及对称平面的冷精锻。通过有限元分析,得出使球面销不产生内应力所需的合理精压余量,设计合理的模具,保证锻件的强度和精度。通过大批量生产进行验证,对冷精锻生产过程中出现的缺陷进行分析,找出缺陷原因,提出解决办法。

球面销锻件示意图如图1 所示,球面销锻件是汽车关键零部件,物理、力学性能都有较高的要求。实际使用中,由于材料强度很难得到保证,经常发生零件损伤而需要不断更换。故采用热精整冷精锻的工艺替代切削加工,从而提高球面销的精度和表面粗糙度,使锻件表面硬化,提高耐磨性。

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图1 球面销锻件示意图


球面销工艺分析

球面销在锻造生产中对工艺和模具设计有一定的要求。锻件的材料为40Cr,经初步估算,锻件重约3.1kg。锻件长200mm,中间球状直径约78mm,两端为扁平结构,交接处有台阶,这决定了只能采用卧式锻造。锻件成形的关键在于如何保证金属材料的合理分配及充满型腔。客户明确4 个平面为产品关键特性,锻造难以同时满足其尺寸及公差、形位公差和表面光洁度的要求。因此我们针对该位置的特性新增冷精锻工序,进一步优化加强该处关键特性,以期达到客户要求。

目前锻件成形方案有两种:一种是镦粗→预锻→终锻;另一种为镦粗预成形→终锻。两种工艺在实际生产中各有利弊,第一种工艺模具寿命高,但材料利用率低;第二种工艺反之,模具寿命低,材料利用率高。我公司经过多次验证,综合以上两种方案的优势,改进的方案为:镦粗预成形+预锻→终锻,既提高了模具寿命,又提高了材料利用率。

综上分析:明确球面销生产工艺流程为:下料→加热→锻造(镦粗预成形+预锻→终锻)→热处理→后处理(探伤、抛丸、打磨等)→冷精锻→包装。

球面销模具设计

预成形及预锻模模具设计

该锻件体积不大,故预成形(图2)和预锻设计(图3)在一个模具中,减少一个模具安装工位,模具设计应注意以下几点:

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图2 预成形


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图3 预锻设计(左下模,右上模)


(1)体积比:终预锻体积比的大小会影响模具寿命,一般预成形、预锻、终锻的体积比控制在1.2:1.1:1。

(2)预成形模和预锻模R 角设计:一般R 角预锻较终锻大2 ~3mm,预成形R 角尽量取上限,以适应预锻轮廓要求的大小为宜。

终锻模模具设计

终锻模具设计(图4),在符合图纸的前提下,应满足以下几点:

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图4 终锻模具设计(左下模,右上模)


⑴精锻面反补偿弧:对于精锻面较大的锻件来说,终锻模冷精锻面最好做成凸形,理论上其单面最大高度差为0.2 ~0.5mm。图1 锻件厚度(24±0.4)mm,热锻件的厚度控制尺寸为(24.36±0.4)mm,取单面高度差为0.2mm,凸弧面的设计尺寸为23.96mm。此种设计要求是为了保证冷精锻有足够的精锻余量,满足客户图纸要求;同时也是为了保证冷精锻时材料的流动,避免锻件平面产生凸起、折叠等不利现象。

⑵退刀槽:锻件上的退刀槽在锻模上显示为凸出,易磨损,要求退刀槽深度按极限正差设计,即此处锻件厚度按极限负差设计。

⑶公差选择:按图纸和DIN 10243-1-2005 标准要求,锻件R 角按上限设计(+0.5r);球销加工面按正差设计,非加工面按零位偏负差设计。

⑷拔模角:在符合图纸要求的前提下,力求3°。

通过飞边的生产验证

对球面销的锻造而言,外形结构简单,无深型腔,平面分模,因此从锻造成形角度上分析球面销易成形。如图5 所示在锻件尺寸满足要求的前提下,考虑夹取,根据产品的飞边分布形状即可作以下判断:

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图5 飞边分布形状


⑴坯料直径是否合理。

⑵坯料长度是否合适。

⑶镦粗预成形及预锻模的设计是否合理。

冷精锻模具设计

精锻量的选取应充分考虑客户的需求。精锻量过大,严重损耗设备、模具;精锻量过小,难以达到表面光洁度要求。如图1 所示球面销,精锻面做了凹面反补偿处理,精锻量取0.3 ~0.5mm。冷精锻模具(图6)设计的关键在于精锻面到承击面的厚度,考虑锻件常温下塑性比较小,弹性变形大,因此该厚度按锻件厚度的负差设计,图1 锻件厚度为(24±0.4)mm,精锻模的精锻厚度为23.6mm。

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图6 冷精锻模具(左下模,右上模)


DEFORM-3D 有限元模模拟分析

DEFORM-3D 是针对金属成形过程的模拟分析软件,专门用于分析各种金属成形过程中的三维流动,对锻造成形过程中的关键参数进行模拟,提供有价值的分析数据。减少了模具的优化过程,大大减少了生产成本,提高了生产效率。通过DEFORM-3D 对球面销的预锻、终锻和冷精整3 个工序进行有限元模拟分析。

预锻和终锻的速度场显示了金属的流动速度和流动方向,通过模拟对模具模型进行不断的优化设计,模拟的最终结果如图7 所示,金属流动流畅,充填饱满。

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图7 预锻和终锻的速度场模拟结果


预锻和终锻应力场显示了锻件的受力情况,通过模拟对模具的应力集中部位进行优化,可提高模具寿命。模拟最终结果如图8 所示,产品内外部受力均匀,无明显的应力集中部位。

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图8 预锻和终锻应力场模拟结果


冷精锻的应力场如图9 所示,通过对终锻模具设计的反补偿面的精锻面的受力模拟分析,控制锻件精整后产生的内应力,保证锻件不会造成拱起。通过模拟结果显示,锻件的最大应力不超过453MPa,满足工艺要求。

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图9 冷精锻应力场


结束语

⑴通过对球面成形工艺的优化(将镦粗更改为预成形),大大提高了锻件材料利用率,从过去的65%提高到了80%左右。同时单次模具寿命也得到了大大的提高,从平均3000 ~5000 只提高到了8000 ~10000 只。

⑵冷精锻余量的取值和客户的实际需求、产品冷精锻面的大小、冷精锻后的弹性变形等存在相关性。需合理设计,必要时可做反补偿,多做生产验证,在满足客户要求的前提下,减小设备吨位和模具损耗。

⑶通过DEFORM-3D 软件分别对预锻、终锻和冷精整工序进行模拟分析,根据产生的问题对模具进行不断的优化调整,通过生产进行验证,大大减少了企业的生产成本,提高了生产效率



——文章选自:《锻造与冲压》2022年第3期


锻件模具成形冷精