TA的每日心情 | 奋斗 2024-4-22 05:59 |
---|
签到天数: 273 天 连续签到: 1 天 [LV.8]以坛为家I
|
马上注册,结交更多热工坛友,更多精彩内容等着您!
您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?免费注册
x
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。# N6 [8 B; Z8 M8 Y7 m0 H+ T7 E* j
8 c0 T1 V6 u! y& F' o 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。- f3 |% S! Y+ p3 v4 t
9 Y9 B, j# s3 H
图1 球面销锻件示意图) r7 e8 ^" ~. f7 m
' F' b4 M, o& p3 `, S球面销工艺分析/ Q0 m7 k8 c7 e/ y
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。( b. a! N' h2 d& T
0 [/ F/ x5 C0 y
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。; r. r1 }9 [' e: j( m1 @$ A1 c
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。/ K" k2 T, P9 u) w, x# o
2 U3 A* s, b# |5 Z; ]
: k- j3 A' \' [7 {球面销模具设计
5 B P9 t9 Y* B" X/ [1 H% Y预成形及预锻模模具设计
+ w6 i8 z: ]" ^6 r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:4 x- V1 ~% @9 U( I$ J. c; [
! r- k' b. z$ W8 `% w
图2 预成形- u. p! M, _5 t4 O8 A2 @( b! {1 m5 r
: E; B% ^) W3 J$ J9 Q
$ v- E: Q" R0 F$ r0 x
, K5 i! W) G$ r; f图3 预锻设计(左下模,右上模)6 B# [# D0 E& D, H, u
- m& x3 t( d+ k% L: t. a
(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。: O' m6 l' U7 R5 @+ a
(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。5 R0 q* T, V7 l9 d1 l
终锻模模具设计1 v- c9 ^3 k6 c r+ p
终锻模具设计(图4),在符合图纸的前提下,应满足以下几点:
o9 @- i' b c- T4 M9 u/ ^: G
l! {1 E1 g8 U8 Z, F( A5 L! V
& U/ i; E: E2 O
图4 终锻模具设计(左下模,右上模)( s0 @, C* i$ ?, Q3 ]4 P( c
/ C) Q: A$ o5 `- I: o0 g6 E1 o3 t⑴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。
) ]' ^+ x; G, I: @6 M⑵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。
; r' q N L; k' v+ R⑶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。
) N4 {+ c, i# a. k⑷拔模角:在符合图纸要求的前提下,力求3°。
- N) L7 S* u6 B. w" w# o: e通过飞边的生产验证0 F) P4 w' o+ k# }1 F. O3 V
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:$ i4 z& ]7 G6 y1 I# ~+ o0 E1 a. H1 w
& s& o5 {4 s) l! ~7 X
. i% p: N6 V$ u. a! ~! X+ E; t! s图5 飞边分布形状
% \1 h5 I5 e- p3 [
2 T# s$ F! C5 c) d; V: T& q6 V⑴坯料直径是否合理。
, h2 U% X0 Z: ` a* V: g# d⑵坯料长度是否合适。
$ U* H) ?6 s: P$ h. C- y( K⑶镦粗预成形及预锻模的设计是否合理。; s' c+ U4 y7 E- l7 \0 z A/ M
冷精锻模具设计
1 M7 F- X* a; d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。# R% ^; M* y$ Y: |2 T
, L9 X5 D+ E2 R- O0 L0 R
图6 冷精锻模具(左下模,右上模)) O3 N, ~; s8 W+ g3 O* O
1 r3 a2 T& {. |: t+ j' NDEFORM-3D 有限元模模拟分析
, M# z1 w+ N+ C6 N5 X8 I, JDEFORM-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。
. p! o+ `" h6 a! m! r& V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。
8 k, T( g- b) t( O* Y
. T" L0 {6 z$ T% ?
+ g8 [2 W4 h$ Z图7 预锻和终锻的速度场模拟结果# L# a5 ^. p# C6 s1 w" Z* L
" R" |5 c2 U& M p: ?5 C% e
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。3 c/ Y- I# }' {' u! @) q9 J o
6 C+ X" ]9 o& `/ {
图8 预锻和终锻应力场模拟结果8 b5 b6 X6 K* E) y2 m) d" z- Z4 d
w" z( `) p# x- ~" [
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。
# ^8 \: K- b7 D) i
3 M6 G0 m% g2 @( `- n- v, [图9 冷精锻应力场
) ?6 N9 v6 _8 {+ d0 q/ m! i7 f) T# |- u! g0 c3 c3 O9 v+ L$ s9 z3 `+ E( t
结束语
" P, [& a0 \! e& K ^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。8 K5 p4 U% W# d) t5 J
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。2 ]3 O$ K. ?1 n! [
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
6 s$ a2 t8 V8 i2 W& q7 h2 [+ b% |7 V, t1 A
, b! y, R' i: j5 W——文章选自:《锻造与冲压》2022年第3期1 g: @/ e: _+ S x9 T% i
|
|