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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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         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。" _- t7 X( f1 ^$ D0 U

    4 N# W. x4 e0 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。
    4 f% N! j# o, {% p  b; S- Q1 ^ 1.jpg
    & O' w( W* {% ^, [# g0 V图1 球面销锻件示意图5 }% p- L5 x3 [- O. @8 A7 m5 ]2 A' z
      T5 \8 ~3 v5 j
    球面销工艺分析
    - a  G' }* V. @1 q/ Z0 e; H   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。
    , y: Y; u+ ?) B
    , W4 p/ g5 L" 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。4 ]3 u( T; f, A3 G
         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。* V; d9 I4 Q& e( u

    - l6 n* u# Q. @# r" d2 S& E+ ^6 G1 {9 W* n
    球面销模具设计
    " r- A6 U! [5 W- q2 M5 l预成形及预锻模模具设计$ p) U+ X3 B" l9 \3 x1 h# z
    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:7 Z% Y! S& _; {% b. G
    2.jpg
    ! b2 H  t; m4 v' r4 K* L图2 预成形3 [: Y! @" n8 L
    * M/ v4 B2 ^0 g! S6 U/ e
    3.jpg 8 F' A. H  a4 n8 v' u7 m% l

      c1 Q2 G7 j# H, m& d( x9 ]图3 预锻设计(左下模,右上模)
    ) _1 o1 k% M) L' T4 d6 @  y* Q3 S; y# c- u: G; F) r8 @# s7 L8 }
    (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。
    / D/ Q) b; C- L(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。3 ~) t: I$ Y! W* `' H/ _. A
    终锻模模具设计
    7 Q: b; e& ?. y+ u4 J终锻模具设计(图4),在符合图纸的前提下,应满足以下几点:
    + }3 J$ s* ]" ` 4.jpg
    5 u) o; b* z! c4 |5 W  Z% u& T) d% U# E; p8 B9 n$ l7 H- L6 J
    图4 终锻模具设计(左下模,右上模)( b$ @% d9 |7 P/ l5 B- @. m
    8 f# X7 V. Y1 ]: U& D! m
    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。
    % N3 g7 x# G4 k" P1 [* A' n" v⑵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。! q* Z1 M4 U- h- c* w# o. t
    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。
    $ r; I$ E. a* X. |: X6 t! f  J3 o- u0 ~⑷拔模角:在符合图纸要求的前提下,力求3°。
    : n+ e9 v, d0 w  |, b+ ~2 h通过飞边的生产验证
    + e* q6 S* [8 v( F2 q! H8 _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:
    ! s5 j# y. b( H/ [9 r/ ] 5.jpg + I- [7 m$ K. d
    8 }3 n% N& V/ b9 A" n
    图5 飞边分布形状
    / Q* g0 k8 j8 ?/ L. E4 \! K
    / S% s4 `: i, @9 L2 K⑴坯料直径是否合理。
    1 q; ^7 r+ f, o9 ^) e⑵坯料长度是否合适。
    . ^/ h- x. K1 K  d" p# [⑶镦粗预成形及预锻模的设计是否合理。) ~, |# Q) w9 }0 {$ @  j/ h
    冷精锻模具设计6 `) w3 e, L$ X0 b1 T4 [8 e
    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。
    ; ]" ~7 t1 o  P5 t 6.jpg * Q2 ^/ }6 h) C- t* t( c
    图6 冷精锻模具(左下模,右上模)
    - e( l( G/ ?8 E8 M+ n% P7 I) R4 T/ I5 \, r8 G0 R
    DEFORM-3D 有限元模模拟分析$ F1 b4 O( |9 x1 Z" w4 {! v! ^( v
    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。0 B; d' {" P9 w
    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。+ B) L3 j# Y5 d4 f5 I. \
    7.jpg   N8 B8 O* e" u% U! T8 y

    : R" r& h  a2 S* {, g5 N3 q) R图7 预锻和终锻的速度场模拟结果
    6 K6 @& r4 ~) e3 a$ t! y- d- }5 Y9 [2 p/ ^* t% y  ]
    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。4 o9 Q& h- @! V9 c' L
    8.jpg
    6 T$ `# A( B4 a$ |% x1 E图8 预锻和终锻应力场模拟结果3 K( u5 ~" Y( J1 ?: N4 d- b
    : g, w3 t3 P9 I0 V: A' G4 w
    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。! e  p* G0 e9 P' V
    9.jpg : {, G' u7 |/ b  M6 H
    图9 冷精锻应力场* N8 V$ M* s2 E& O% m
    # W7 c9 H  n" u$ X% ?
    结束语: D% g: d' o3 m: U
    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。  M5 J8 e" f, y  `4 k5 R2 t. R  ]* }
    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。5 [9 q& Y" J/ k( o! F1 v7 ?6 ~7 \1 o
    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' E0 ~9 t) n3 n  d4 l8 _/ `

    # {& q, [: c: y
    ) k+ x& W) W9 }' q  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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