大噸位、多工位鍛造模架通用件的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

文/劉永康·江蘇威鷹機(jī)械有限公司

伴隨著汽車零件鍛造產(chǎn)業(yè)的深度轉(zhuǎn)移、汽車工業(yè)對(duì)零件性能需求不斷提高、國(guó)內(nèi)新型高端裝備制造業(yè)的發(fā)展等諸多因素，導(dǎo)致了越來(lái)越多的汽車零件向著高精度、高質(zhì)量、輕量化、高強(qiáng)度、高材料利用率的設(shè)計(jì)方向進(jìn)發(fā)。我司經(jīng)過(guò)十余年的技術(shù)積累和各大科研院所及高校深入的研發(fā)合作，在鍛造技術(shù)工藝、鍛造裝備的升級(jí)改造投入，在鍛造能力上取得了一些進(jìn)步，從而使得我司能夠打破部分產(chǎn)品的國(guó)外供應(yīng)商的生產(chǎn)壟斷，逐步實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，樹(shù)立了全面進(jìn)入跨國(guó)公司的全球采購(gòu)體系的目標(biāo)。

裝備和產(chǎn)品工藝升級(jí)

從2016 年開(kāi)始，我司逐步進(jìn)入汽車變速器行業(yè)，但是早在2012 年，我們就逐步開(kāi)展了現(xiàn)有設(shè)備改造及技術(shù)升級(jí)，其中包括單機(jī)設(shè)備聯(lián)線、模架升級(jí)設(shè)計(jì)、輔助設(shè)備升級(jí)改造、智能機(jī)構(gòu)輔助生產(chǎn)等。在新型設(shè)備采購(gòu)方面，我們參與設(shè)計(jì)設(shè)備參數(shù)，提出涉及生產(chǎn)過(guò)程的接口需求，分享使用經(jīng)驗(yàn)用以達(dá)到反向優(yōu)化新設(shè)備的目的。在進(jìn)行設(shè)備改造、升級(jí)、引入的同時(shí)，我們不斷檢討鍛造工藝，讓我們能夠滿足客戶不斷提高的要求。

通過(guò)多年的積累，使得我司具有了冷、溫、熱及溫-冷復(fù)合鍛造、熱-冷復(fù)合鍛造的技術(shù)能力、裝備能力。

其他技術(shù)問(wèn)題

無(wú)論是引進(jìn)還是改造設(shè)備，與其配套的工藝方法都要求有較高的匹配度。在編排工藝之初，需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行深入的了解，然后根據(jù)設(shè)備情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，但是在產(chǎn)品工藝模具設(shè)計(jì)過(guò)程中，通用模具件的設(shè)計(jì)往往被忽略，下面就我司新采購(gòu)的大噸位、多工位的熱模鍛設(shè)備中使用的壓力塊進(jìn)行分析優(yōu)化，以期解決壓力塊在使用過(guò)程中的開(kāi)裂、變形等問(wèn)題。

目前我們正在生產(chǎn)的CVT 無(wú)級(jí)自動(dòng)變速器中使用的核心零件—帶輪軸，最大鍛造噸位達(dá)到了2300噸，這對(duì)模具的強(qiáng)度、壽命提出了較大的挑戰(zhàn)，除此以外，與模具相配合的壓力塊也受到了較大的影響。前期我們?cè)诮鉀Q模具使用問(wèn)題中，付出了大量的努力，通過(guò)更換模具材料、優(yōu)化模具熱處理工藝、增加模具表面PVD 涂層、模具C-S-N 共滲等措施，提高了模具使用壽命，但是經(jīng)過(guò)生產(chǎn)驗(yàn)證，設(shè)備的開(kāi)動(dòng)率還是不高，調(diào)查后發(fā)現(xiàn)原因在于壓力塊破損(圖1)，需要頻繁更換，并且更換壓力塊不同于更換模具，需要拆除更多的模具輔助件才能完成。因此，壓力塊優(yōu)化設(shè)計(jì)顯得尤為重要。

圖1 破損的壓力塊

通過(guò)FEA 分析指導(dǎo)優(yōu)化改進(jìn)

現(xiàn)有設(shè)計(jì)的有限元分析

使用有限元法分析鍛造成形力，已經(jīng)是大多數(shù)鍛造公司技術(shù)部工藝工程師的必備技能，但是如果要做到分析結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果相符合(誤差在5%以內(nèi))需要對(duì)很多參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定對(duì)標(biāo)，甚至需要重新構(gòu)建原材料的本構(gòu)模型。本次需要解決的問(wèn)題涉及到的產(chǎn)品材料也為20CrMoH，經(jīng)過(guò)設(shè)置運(yùn)算后，得到的鍛造噸位為1870 噸，如圖2 所示。

圖2 壓力塊有限元分析

分析得到成形噸位后，可繼續(xù)使用成形分析軟件進(jìn)行模塊的受力分析，但得到的結(jié)果只能是各個(gè)節(jié)點(diǎn)的受力大小，至于模塊的使用壽命并不能直接的表達(dá)出來(lái)。因此，我們使用結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行壓力塊的受力分析。模具系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，壓力塊在與模具接觸外還與其他配件產(chǎn)生配合關(guān)系，如模桶、定位圈、填塊等，要做壓力塊的受力分析，就需要理清楚各個(gè)零件之間的接觸類型，以及定量數(shù)值。這些要求在成形分析軟件的設(shè)置中較為復(fù)雜，并且成形軟件分析的成形力通過(guò)插補(bǔ)的方式插入節(jié)點(diǎn)中，再由節(jié)點(diǎn)導(dǎo)入模具，通過(guò)模具傳導(dǎo)至壓力塊上，所以模具、壓力塊受力表達(dá)為成形完成瞬間所受到最大成形力，這和現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中的情況有所不同，如圖3、圖4 所示。

圖3 成形軟件分析得到的噸位曲線

圖4 按成形噸位施加的壓力曲線

使用結(jié)構(gòu)分析軟件可以在分析過(guò)程中，對(duì)壓力塊與所配合的各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行有效、詳細(xì)的約束設(shè)置，實(shí)現(xiàn)模具結(jié)構(gòu)中的各零件在受力情況下的相對(duì)運(yùn)動(dòng)或者相對(duì)變形，并且在施加力的過(guò)程中具有更多的可能性，比如按照成形噸位曲線進(jìn)行施加，這樣更加能夠貼近現(xiàn)實(shí)使用情況，不僅能夠得到更加精確的分析結(jié)果，而且還能夠直觀的表達(dá)出模具的使用壽命，如圖5、圖6 所示。

圖5 壓力塊的受力云圖

圖6 壓力塊的疲勞壽命云圖

戰(zhàn)力指數(shù)：★★★★☆降魔圣典：《溫病條辨》來(lái)將通名：寒癥瘟疫御敵神兵：霹靂散上榜理由：建立了完全獨(dú)立于傷寒的溫病學(xué)說(shuō)體系，創(chuàng)立了三焦辨證綱領(lǐng)，為溫病創(chuàng)新理論之一

優(yōu)化方案及有限元分析

現(xiàn)有壓力塊在使用過(guò)程中產(chǎn)生破損除了會(huì)引起模具支撐不足外，還會(huì)因?yàn)殚_(kāi)裂掉落的碎塊導(dǎo)致頂料器卡死的現(xiàn)象發(fā)生。因此壓力塊設(shè)計(jì)時(shí)需要有一定的使用壽命不產(chǎn)生開(kāi)裂，即使產(chǎn)生了開(kāi)裂，碎塊也不易掉落。明確了設(shè)計(jì)目的，我們采取了外圈+內(nèi)芯的方式設(shè)計(jì)，外圈采用H13 材料，淬火硬度40HRC，內(nèi)圈采用Cr12MoV 材料，淬火硬度56HRC，內(nèi)外圈采用熱壓配的方式，過(guò)盈量為1.5mm。這里對(duì)預(yù)緊力大小的FEA 分析方式稍作解釋：通過(guò)熱力分析的方式得到外圈膨脹到裝配前尺寸的溫度，再使用熱力耦合的方式得到外圈溫度降低到室溫時(shí)的預(yù)緊力。將徑向預(yù)緊力、裝配關(guān)系、約束方式等設(shè)置結(jié)束后，進(jìn)行受力分析，結(jié)果如圖7 所示，取中值261MPa 進(jìn)行后續(xù)分析。

圖7 熱力耦合得到的填塊降至室溫時(shí)的預(yù)緊力

此時(shí)，圖8、圖9 都不是直接的模具壽命反饋，只能做對(duì)比分析使用，優(yōu)化前與優(yōu)化后的壽命對(duì)比，模具壽命提高3 倍。

結(jié)束語(yǔ)

優(yōu)化后的壓力塊如圖10 所示，使用優(yōu)化后的壓力塊進(jìn)行生產(chǎn)，模具仍有開(kāi)裂現(xiàn)象存在，但使用壽命達(dá)到了18400 次，相對(duì)原有壓力塊的使用壽命5700次，相對(duì)提高3.2 倍。出現(xiàn)開(kāi)裂后的壓力塊并沒(méi)有完全分離，提高了換模效率，減少了因碎塊導(dǎo)致的卡死清理。

圖8 壓力塊優(yōu)化后的受力云圖

圖9 壓力塊優(yōu)化后的疲勞壽命云圖

圖10 優(yōu)化后的壓力塊