球面銷鍛造模具設(shè)計(jì)和冷鍛技術(shù)運(yùn)用范文

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本文以球面銷為研究對(duì)象，分析球面銷的鍛造模具設(shè)計(jì)及對(duì)稱平面的冷精鍛。通過有限元分析，得出使球面銷不產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力所需的合理精壓余量，設(shè)計(jì)合理的模具，保證鍛件的強(qiáng)度和精度。通過大批量生產(chǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)冷精鍛生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的缺陷進(jìn)行分析，找出缺陷原因，提出解決辦法。球面銷鍛件示意圖如圖1所示，球面銷鍛件是汽車關(guān)鍵零部件，物理、力學(xué)性能都有較高的要求。實(shí)際使用中，由于材料強(qiáng)度很難得到保證，經(jīng)常發(fā)生零件損傷而需要不斷更換。故采用熱精整冷精鍛的工藝替代切削加工，從而提高球面銷的精度和表面粗糙度，使鍛件表面硬化，提高耐磨性。

一、球面銷工藝分析

球面銷在鍛造生產(chǎn)中對(duì)工藝和模具設(shè)計(jì)有一定的要求。鍛件的材料為40Cr，經(jīng)初步估算，鍛件重約3.1kg。鍛件長(zhǎng)200mm，中間球狀直徑約78mm，兩端為扁平結(jié)構(gòu)，交接處有臺(tái)階，這決定了只能采用臥式鍛造。鍛件成形的關(guān)鍵在于如何保證金屬材料的合理分配及充滿型腔。客戶明確4個(gè)平面為產(chǎn)品關(guān)鍵特性，鍛造難以同時(shí)滿足其尺寸及公差、形位公差和表面光潔度的要求。因此我們針對(duì)該位置的特性新增冷精鍛工序，進(jìn)一步優(yōu)化加強(qiáng)該處關(guān)鍵特性，以期達(dá)到客戶要求。目前鍛件成形方案有兩種：一種是鐓粗→預(yù)鍛→終鍛；另一種為鐓粗預(yù)成形→終鍛。兩種工藝在實(shí)際生產(chǎn)中各有利弊，第一種工藝模具壽命高，但材料利用率低；第二種工藝反之，模具壽命低，材料利用率高。我公司經(jīng)過多次驗(yàn)證，綜合以上兩種方案的優(yōu)勢(shì)，改進(jìn)的方案為：鐓粗預(yù)成形+預(yù)鍛→終鍛，既提高了模具壽命，又提高了材料利用率。綜上分析：明確球面銷生產(chǎn)工藝流程為：下料→加熱→鍛造(鐓粗預(yù)成形+預(yù)鍛→終鍛)→熱處理→后處理(探傷、拋丸、打磨等)→冷精鍛→包裝。

二、球面銷模具設(shè)計(jì)

預(yù)成形及預(yù)鍛模模具設(shè)計(jì)該鍛件體積不大，故預(yù)成形 ( 圖 2) 和預(yù)鍛設(shè)計(jì)( 圖 3) 在一個(gè)模具中，減少一個(gè)模具安裝工位，模具設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：(1) 體積比：終預(yù)鍛體積比的大小會(huì)影響模具壽命，一般預(yù)成形、預(yù)鍛、終鍛的體積比控制在1.2:1.1:1。(2) 預(yù)成形模和預(yù)鍛模 R 角設(shè)計(jì)：一般 R 角預(yù)鍛較終鍛大 2 ～ 3mm，預(yù)成形 R 角盡量取上限，以適應(yīng)預(yù)鍛輪廓要求的大小為宜。終鍛模模具設(shè)計(jì)終鍛模具設(shè)計(jì) ( 圖 4)，在符合圖紙的前提下，應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)：鍛面反補(bǔ)償弧：對(duì)于精鍛面較大的鍛件來說，終鍛模冷精鍛面最好做成凸形，理論上其單面最大高度差為 0.2 ～ 0.5mm。圖 1 鍛件厚度 (24±0.4)mm，熱鍛件的厚度控制尺寸為 (24.36±0.4)mm，取單面高度差為 0.2mm，凸弧面的設(shè)計(jì)尺寸為 23.96mm。此種設(shè)計(jì)要求是為了保證冷精鍛有足夠的精鍛余量，滿足客戶圖紙要求；同時(shí)也是為了保證冷精鍛時(shí)材料的流動(dòng)，避免鍛件平面產(chǎn)生凸起、折疊等不利現(xiàn)象。⑵退刀槽：鍛件上的退刀槽在鍛模上顯示為凸出，易磨損，要求退刀槽深度按極限正差設(shè)計(jì)，即此處鍛件厚度按極限負(fù)差設(shè)計(jì)。⑶公差選擇：按圖紙和 DIN 10243-1-2005 標(biāo)準(zhǔn)要求，鍛件 R 角按上限設(shè)計(jì) (+0.5r)；球銷加工面按正差設(shè)計(jì)，非加工面按零位偏負(fù)差設(shè)計(jì)。⑷拔模角：在符合圖紙要求的前提下，力求 3°。通過飛邊的生產(chǎn)驗(yàn)證對(duì)球面銷的鍛造而言，外形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無深型腔，平面分模，因此從鍛造成形角度上分析球面銷易成形。如圖 5 所示在鍛件尺寸滿足要求的前提下，考慮夾取，根據(jù)產(chǎn)品的飛邊分布形狀即可作以下判斷：⑴坯料直徑是否合理。⑵坯料長(zhǎng)度是否合適。⑶鐓粗預(yù)成形及預(yù)鍛模的設(shè)計(jì)是否合理。冷精鍛模具設(shè)計(jì)精鍛量的選取應(yīng)充分考慮客戶的需求。精鍛量過大，嚴(yán)重?fù)p耗設(shè)備、模具；精鍛量過小，難以達(dá)到表面光潔度要求。如圖 1 所示球面銷，精鍛面做了凹面反補(bǔ)償處理，精鍛量取 0.3 ～ 0.5mm。冷精鍛模具 ( 圖 6) 設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于精鍛面到承擊面的厚度，考慮鍛件常溫下塑性比較小，彈性變形大，因此該厚度按鍛件厚度的負(fù)差設(shè)計(jì)，圖 1 鍛件厚度為(24±0.4)mm，精鍛模的精鍛厚度為 23.6mm。

三、DEFORM-3D 有限元模模擬分析

DEFORM-3D 是針對(duì)金屬成形過程的模擬分析軟件，專門用于分析各種金屬成形過程中的三維流動(dòng)，對(duì)鍛造成形過程中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行模擬，提供有價(jià)值的分析數(shù)據(jù)。減少了模具的優(yōu)化過程，大大減少了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。通過 DEFORM-3D 對(duì)球面銷的預(yù)鍛、終鍛和冷精整 3 個(gè)工序進(jìn)行有限元模擬分析。預(yù)鍛和終鍛的速度場(chǎng)顯示了金屬的流動(dòng)速度和流動(dòng)方向，通過模擬對(duì)模具模型進(jìn)行不斷的優(yōu)化設(shè)計(jì)，模擬的最終結(jié)果如圖 7 所示，金屬流動(dòng)流暢，充填飽滿。預(yù)鍛和終鍛應(yīng)力場(chǎng)顯示了鍛件的受力情況，通過圖 5 飛邊分布形狀模擬對(duì)模具的應(yīng)力集中部位進(jìn)行優(yōu)化，可提高模具壽命。模擬最終結(jié)果如圖 8 所示，產(chǎn)品內(nèi)外部受力均勻，無明顯的應(yīng)力集中部位。冷精鍛的應(yīng)力場(chǎng)如圖 9 所示，通過對(duì)終鍛模具設(shè)計(jì)的反補(bǔ)償面的精鍛面的受力模擬分析，控制鍛件精整后產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，保證鍛件不會(huì)造成拱起。通過模擬結(jié)果顯示，鍛件的最大應(yīng)力不超過 453MPa，滿足工藝要求。

四、結(jié)束語

⑴通過對(duì)球面成形工藝的優(yōu)化 ( 將鐓粗更改為預(yù)成形 )，大大提高了鍛件材料利用率，從過去的65% 提高到了 80% 左右。同時(shí)單次模具壽命也得到了大大的提高，從平均 3000 ～ 5000 只提高到了8000 ～ 10000 只。⑵冷精鍛余量的取值和客戶的實(shí)際需求、產(chǎn)品冷精鍛面的大小、冷精鍛后的彈性變形等存在相關(guān)性。需合理設(shè)計(jì)，必要時(shí)可做反補(bǔ)償，多做生產(chǎn)驗(yàn)證，在滿足客戶要求的前提下，減小設(shè)備噸位和模具損耗。⑶通過 DEFORM-3D 軟件分別對(duì)預(yù)鍛、終鍛和冷精整工序進(jìn)行模擬分析，根據(jù)產(chǎn)生的問題對(duì)模具進(jìn)行不斷的優(yōu)化調(diào)整，通過生產(chǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，大大減少了企業(yè)的生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。

作者：金朝暉 吳雅俊 吳曾龍 單位：安徽安簧機(jī)械股份有限公司