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[交流] 球面销锻造模具设计及冷锻技术应用

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    [LV.8]以坛为家I

    发表于 2022-4-21 12:05:21 | 显示全部楼层 |阅读模式

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    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。6 |: L& l( j/ P3 n" h; p! W& N

    1 I, h: G( z, p$ t! Z$ g      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。
    : @3 U, e  x. y4 b4 W 1.jpg * f* Y, n" e# d9 S4 W+ l! W
    图1 球面销锻件示意图, M& w8 ]5 N" V6 S) r- R
    % d, [. y( U. J" {* z2 Y
    球面销工艺分析
    2 ?" \# s% m6 |" i( h; u   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。: r5 R  b5 V. T2 |! e0 }

    * C+ a1 F' K$ x' _) \/ s- K     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。
    , d* z# l: x+ N( V, \     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。
    ; V3 y  \- l* Z* D3 I$ W1 Z2 `7 j; z0 g6 w$ w. s
    ) Y2 D$ g4 x% j
    球面销模具设计
    0 y" ]% u9 u" t: I9 h预成形及预锻模模具设计1 C2 a/ U8 m; c. n2 j+ ?, s' [
    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:
    2 p; N+ N9 X3 y/ c" W% ?1 ~ 2.jpg - `" V9 I- L' \+ \9 Q/ W" j
    图2 预成形
    4 z( f0 M6 C  w1 I* x) g& x  S1 L. T9 \7 }( t# S& r2 Y
    3.jpg - [5 [. E) p9 L! x6 @8 e3 J/ i

    : k# g2 p+ M- A; ^图3 预锻设计(左下模,右上模)3 Z3 z) ?0 t" L* K
    & r! o$ |: g# Y8 c4 O! B" 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。
    $ G" c; U* ~2 A3 A+ d(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。  U  {% A2 d' J! P
    终锻模模具设计1 |4 g. ^* A0 s* Z
    终锻模具设计(图4),在符合图纸的前提下,应满足以下几点:
    # n, M3 A/ g( u* A5 h 4.jpg 1 Z1 n# F( t6 r  F1 J1 A. ^
    ) M, ?" J/ i8 m# z- L
    图4 终锻模具设计(左下模,右上模)4 A- O7 V+ p" }1 S7 G

    / |* C* l1 G) R  L3 a& r⑴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。
    3 B% r7 _: A/ `& o& w3 n⑵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。
    9 w* U: C% @5 k/ B" b8 Y⑶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。3 D) t1 I' v( R0 t$ `" W
    ⑷拔模角:在符合图纸要求的前提下,力求3°。
    $ f* c0 F6 U* `. ]3 X通过飞边的生产验证% q! [8 b4 Y' K1 _9 i
    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:3 c! y3 {( }! t3 k
    5.jpg
    0 B: w, U0 n& \4 |' o( G! `- u
    , v9 }# ^3 ~5 p) p; K; [图5 飞边分布形状3 B- ]( `$ e& `9 A+ H( E% o

    . S( [: x" l4 K, F5 h⑴坯料直径是否合理。
    2 G# ^7 L1 U( b7 S⑵坯料长度是否合适。0 T2 |5 J4 T) }. K  |0 r) w" l
    ⑶镦粗预成形及预锻模的设计是否合理。
    $ b6 m* t! w( T6 l冷精锻模具设计
    % Z$ T+ O0 r8 S" [4 N5 f  n* W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。
    9 ^* R* G3 j/ @0 i7 P 6.jpg 0 }" \% [' B9 @' [, @4 G8 G
    图6 冷精锻模具(左下模,右上模)
    ' }" x) `7 }) \' M" L( W: Q* r7 A
    / s) Q% D7 Y1 p$ }, l' @/ Z. D1 SDEFORM-3D 有限元模模拟分析* K4 n1 q$ b6 t1 z4 b, R! N5 H
    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。
    " t; C& ]" |4 L) D. a" b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。
    % {0 b/ M; c6 Z4 H# t 7.jpg / i# e3 z8 I0 b- v: K2 }$ w

    $ P2 @/ L7 T% T; P" q4 i图7 预锻和终锻的速度场模拟结果% `8 l8 z3 s5 h: x6 |+ E
    4 m4 u, L" t8 |; s
    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。! _! Q" V; U+ v: \
    8.jpg
    6 N2 {+ c6 S9 `1 N' T& b图8 预锻和终锻应力场模拟结果3 R; T( l9 ~4 O: e4 d/ `# v

    ' _1 G. C5 Z" D5 h9 J4 M! D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。
    2 c8 X3 j' o- o. Y* v/ I+ x, a' q 9.jpg
    8 r) B5 L' p: N: M% x! i图9 冷精锻应力场
    * B2 r# L" U# }" j; v$ Y& ]* ]; z
    3 U# O5 v6 f: c1 j1 o结束语9 W; \) M* \. i& v
    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。
    1 p: N+ B5 C5 q  O# ]1 L* ^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。  I6 z1 W% |" V5 \( _% e1 j- m7 r$ t; h
    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
    ! S- J! g/ n- `; F+ Q* s6 M3 T
    2 o8 L# M6 {* c6 N7 U- U+ i
    ; r) C" \0 C/ c' ^. Y" }——文章选自:《锻造与冲压》2022年第3期
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    [LV.6]常住居民II

    发表于 2022-8-19 08:23:13 | 显示全部楼层
    介绍的很好
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