文/王立峰，蔡宏偉，王丹丹，張波·一汽巴勒特鍛造（長春）有限公司技術(shù)開發(fā)部

類回轉(zhuǎn)體鍛件精密鍛造工藝研究開發(fā) （下）

文/王立峰，蔡宏偉，王丹丹，張波·一汽巴勒特鍛造（長春）有限公司技術(shù)開發(fā)部

模具優(yōu)化設(shè)計(jì)

模具在鍛造生產(chǎn)中直接影響鍛件的精度及質(zhì)量，因此模具材料都是使用比較好、昂貴的模具鋼，并且加工工藝復(fù)雜。模具的費(fèi)用通常要占到鍛件成本的10％～20％左右。要降低鍛件的成本，提高其市場競爭力，重要途徑是提高模具使用壽命。

有限元法

有限元法是一種工程物理問題的數(shù)值分析方法，根據(jù)近似分割和能量極值原理，把求解區(qū)域離散成為有限個(gè)單元的組合，研究每個(gè)單元的特性，組裝各單元，通過變分原理，把問題化成線性代數(shù)方程組求解。

有限元分析的六個(gè)基本步驟是：

⑴結(jié)構(gòu)離散化。

⑵選擇位移模式。

⑶分析單元力學(xué)特性。

⑷集合所有單元的平衡方程，建立整個(gè)結(jié)構(gòu)的平衡方程。

⑸求解未知節(jié)點(diǎn)位移。

⑹計(jì)算單元應(yīng)變和應(yīng)力。

有限元分析對工程實(shí)際有著重要意義，可以節(jié)約成本，節(jié)省時(shí)間，縮短產(chǎn)品推向市場的周期，創(chuàng)造更可靠，更高質(zhì)量的設(shè)計(jì)，等等。

模具的失效分析

鍛造用模具服役條件比較苛刻，工作時(shí)的受力情況復(fù)雜，所以它有多種失效形式。模具一般是以裂紋及其擴(kuò)展、疲勞裂紋及其擴(kuò)展、磨損、變形或者綜合形式失效。

裂紋及其擴(kuò)展是在模具燕尾、型槽底部或模具形狀尺寸發(fā)生劇烈變化的部位先產(chǎn)生微裂紋，然后逐漸擴(kuò)展至失效。

疲勞裂紋發(fā)生在模具型槽凸出部位，該部位受沖擊力大，溫升速度也快，同時(shí)該部位接受冷卻潤滑劑充分，故該部位承受的冷熱交變作用激烈。網(wǎng)狀的疲勞裂紋就最先出現(xiàn)在這樣的部位，并不斷擴(kuò)展直至模具失效。

模具的變形也是在承受沖擊力最大的型槽凸出部位。因?yàn)榇瞬课怀惺茏畲鬀_擊力，如果模具材料熱處理后硬度低，鍛造生產(chǎn)過程中模具在該部位溫升快冷卻不及時(shí)，超過回火溫度或預(yù)熱不當(dāng)使模具該部位溫升過高超過回火溫度，模具材料本身的高溫性能差都會(huì)造成模具型槽凸出部位變形，并逐漸失效。

在模具與被鍛造金屬接觸的表面，鍛造過程中金屬流動(dòng)厲害的地方，模具表面被帶著氧化皮的金屬磨出一絲一絲的痕跡甚至變成溝槽，并越來越深、越來越寬直至模具失效。

圖1 模具早期失效分析圖

裂紋或變形造成的模具失效一般都是非正常的早期失效，其失效原因分析圖如圖1所示。

預(yù)防模具早期失效

模具未達(dá)到設(shè)計(jì)使用規(guī)定的期限，即產(chǎn)生塌縮、碎裂、折斷等早期破壞；或因嚴(yán)重的局部磨損和塑性變形而無法繼續(xù)服役，稱為模具的早期失效。

優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改善模具局部或整體的應(yīng)力分布是提高模具承載能力，避免出現(xiàn)局部裂紋、塌縮、快速磨損等早期失效和提高模具使用壽命的有效措施之一。

模具結(jié)構(gòu)包括模具的幾何形狀、模具間隙、端面斜度、過渡角大小及裝配結(jié)構(gòu)等。

⑴改進(jìn)模腔整體結(jié)構(gòu)。例如，采用組合式結(jié)構(gòu)比整體式結(jié)構(gòu)更有利于避免局部開裂和整體開裂，這種改進(jìn)對于鍛模更為有效。

⑵模具工作部分局部結(jié)構(gòu)改進(jìn)。由于模腔的局部結(jié)構(gòu)和形狀對材料的流動(dòng)阻力、局部應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力集中及溫度分布有明顯的影響。因此，改進(jìn)模腔的局部結(jié)構(gòu)，對提高模具壽命與防止其失效有事半功倍的效果。比如，合理的設(shè)計(jì)模腔過渡圓角或者模腔的拔模角等。

本項(xiàng)目主要是基于有限元法研究如何優(yōu)化模具的結(jié)構(gòu)，以預(yù)防和減少模具的早期失效。

精密鍛造實(shí)例分析

以4000t設(shè)備的一齒輪件為例，該類零件終鍛下模的早期失效主要是沿模腔根部圓角處至模具止口處開裂，如圖2所示。

圖2 模具斷裂圖

以該模具的終鍛下模為例進(jìn)行分析，模具的三維模型如圖3所示，有限元模型如圖4所示。以軟件HYPERMESH進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用3～5mm的四面體單元。

圖3 齒輪終鍛下模的三維模型

圖4 齒輪終鍛下模的有限元模型

圖5 齒輪終鍛下模初期設(shè)計(jì)的應(yīng)力云圖

齒輪終鍛下模初期設(shè)計(jì)的有限元模型由598522個(gè)單元、123041個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，計(jì)算所得到應(yīng)力云圖如圖5所示。應(yīng)力集中區(qū)域位于模腔根部圓角處，與實(shí)際情況相符。根部圓角處的應(yīng)力分布曲線如圖6所示，從圖中可以看出，應(yīng)力主要集中于1000～1500MPa之間，最大應(yīng)力為1590MPa，而H13材料在250℃時(shí)，屈服極限大約為1100～1300MPa，因此該區(qū)域有開裂趨勢。

圖6 下模初期根部圓角處的應(yīng)力分布曲線

圖7 齒輪終鍛下模改進(jìn)設(shè)計(jì)的應(yīng)力云圖

圖8 齒輪終鍛下模平止口設(shè)計(jì)的應(yīng)力云圖

對齒輪的終鍛進(jìn)行改進(jìn)，將根部圓角由R3增大到R5，對改進(jìn)后的終鍛下模進(jìn)行有限元分析。改進(jìn)設(shè)計(jì)后下模的有限元模型有481211個(gè)單元、99525個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，計(jì)算所得的應(yīng)力云圖如圖7所示。從圖中可以看出，根部圓角處的應(yīng)力，明顯降低，降低13％左右。

但是，此類零件并不是所有的終鍛根部圓角都可以做出改進(jìn)，很多件模腔無法做出改進(jìn)。因此，只能著手對模具的整體結(jié)構(gòu)做出優(yōu)化，即做出了模具的平止口設(shè)計(jì)。

在不改變根部圓角的情況下，對齒輪的平止口下模進(jìn)行有限元分析。該有限元模型有450388個(gè)單元、93361個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，計(jì)算所得的應(yīng)力云圖如圖8所示。從圖中，可以看出，根部圓角處的應(yīng)力降低了20％以上，應(yīng)力主要集中在700～1000MPa之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于H13材料在250℃時(shí)的屈服極限，安全系數(shù)在1.6左右，效果相當(dāng)明顯。

同時(shí)，由于取消了圓止口，也就消除了圓止口根部圓角處的應(yīng)力集中，降低了從模腔根部圓角處向圓止口根部圓角處開裂的趨勢，齒輪終鍛下模圓止口與平止口設(shè)計(jì)的對比圖如圖9所示。因此，現(xiàn)在3150t、4000t設(shè)備的模具已經(jīng)基本上全都采用了平止口設(shè)計(jì)。

圖9 齒輪終鍛下模圓止口與平止口設(shè)計(jì)的對比

影響模具壽命的因素

影響模具壽命的因素很多，站在模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的角度，從以下幾點(diǎn)預(yù)防和減少模具的早期失效。

⑴經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，有限元分析所得的危險(xiǎn)區(qū)域與實(shí)際生產(chǎn)模具開裂的位置完全吻合，因此，有限元分析可以作為今后模具優(yōu)化設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。

⑵合理增大模具的模腔圓角、模塊尺寸或增加阻力墻等，均可以大大降低模腔內(nèi)危險(xiǎn)區(qū)域的應(yīng)力集中，減少模具的早期失效。

⑶改進(jìn)模具的整體結(jié)構(gòu)，例如，采用平止口或者組合式結(jié)構(gòu)，同樣可以減少模具的局部開裂或整體開裂。

⑷頻繁發(fā)生開裂的模具，改進(jìn)后的設(shè)計(jì)在危險(xiǎn)區(qū)域處的應(yīng)力至少應(yīng)降低10％以上，或者安全系數(shù)達(dá)到1.2以上，才算是成功的優(yōu)化改進(jìn)。

目前，使用的有限元分析未考慮熱耦合、摩擦及鍛件成形過程中對模具的影響，但結(jié)合FORGE軟件，并結(jié)合ANSYS軟件可以對鍛造工藝進(jìn)行綜合分析。

主要技術(shù)

⑴隨著競爭的日益加劇，低成本、高質(zhì)量和高效率是制造業(yè)所追求的目標(biāo)。在鍛造行業(yè)，為提高設(shè)計(jì)效率、降低制造成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量，必須對鍛造工藝過程中影響鍛件質(zhì)量的各項(xiàng)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。由于鍛造變形是一個(gè)十分復(fù)雜的問題，對于其工藝參數(shù)的優(yōu)化采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法很難達(dá)到預(yù)期的效果，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和塑性有限元理論及技術(shù)的不斷發(fā)展和日益完善，以有限元法為代表的數(shù)值模擬方法已廣泛應(yīng)用于各種金屬成形問題的求解分析。因此，F(xiàn)ORGE軟件的應(yīng)用及基于有限元法的模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，對精密鍛造的開發(fā)具有重要意義。

①充分運(yùn)用FORGE軟件，對各類鍛件的成形過程進(jìn)行充分模擬，對打擊力、鍛件溫度、金屬流動(dòng)、折紋、坯料大小等全面模擬，使工藝達(dá)到最優(yōu)化。

②結(jié)合ANSYS軟件，運(yùn)用有限元分析對鍛造工藝進(jìn)行綜合分析，避免模具結(jié)構(gòu)不合理造成的模具壽命低，優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)。

⑵針對不同類型的鍛件，采取了特色的成形工藝，將多種鍛造技術(shù)綜合應(yīng)用，使精密開發(fā)能全面推行。

①對超出鐓粗比的長桿類鍛件，首次將平鍛機(jī)的設(shè)計(jì)思路應(yīng)用于鍛壓機(jī)，成功開發(fā)前殼─軸間差速器類的鍛件精密工藝，此鍛件的精密工藝開發(fā)取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

②對于扁薄形鍛件精密工藝的開發(fā)，在連皮的設(shè)計(jì)上運(yùn)用了熱鐓機(jī)精鍛件的設(shè)計(jì)理念，成功避免了頂出變形。

③活塞裙類的鍛件精密工藝的成功開發(fā)，開辟了深窄型槽精密工藝的先河，在生產(chǎn)中成功運(yùn)用曲軸等型槽復(fù)雜類型的鍛造經(jīng)驗(yàn)。

⑶在現(xiàn)有設(shè)備及模具制造技術(shù)的限制下，采取了多種模具結(jié)構(gòu)方案。由于分塊加工要求精度高且裝配時(shí)需要壓裝，綜合各項(xiàng)成本考慮對不同的設(shè)備、不同的鍛件使用不同的模具結(jié)構(gòu)，最大限度的發(fā)揮精密鍛造的優(yōu)越性，使其經(jīng)濟(jì)性達(dá)到最大化。

①對于1600t、2000t小型鍛壓機(jī)上生產(chǎn)的鍛件，由于模塊小，打擊力小，采用加大凹模（上模）型槽內(nèi)鍛件最大外圓角的方法即可滿足生產(chǎn)。

②對于3150t、4000t中大型鍛壓機(jī)上生產(chǎn)的鍛件，根據(jù)鍛件最大外圓直徑來決定是否將模具分塊設(shè)計(jì)。

⑷所有精密模具采用標(biāo)準(zhǔn)化，大量公用鑲塊座、壓套、壓塊等，沖孔模和普通工藝的復(fù)合模相比大大簡化，更換品種時(shí)只需要更換鑲塊、沖頭及凹模，降低模具成本，使生產(chǎn)過程中的裝配及模具管理都簡單快捷，并且按類型將鍛件統(tǒng)一分為幾種大小規(guī)格不同的鑲塊，方便了模具設(shè)計(jì)及采購模塊的備料，加速了產(chǎn)品開發(fā)的進(jìn)度。

精密鍛造的發(fā)展現(xiàn)狀

精密鍛造工藝在國外是成熟的工藝，在歐美、日韓等幾乎所有齒輪類鍛件都采用精密鍛造工藝。國內(nèi)很多廠家的工藝都是直接借鑒國外的技術(shù)，如陜西法士特從德國引進(jìn)兩條萬家頓自動(dòng)生產(chǎn)線，生產(chǎn)步進(jìn)梁自動(dòng)精密工藝，也是設(shè)備制造廠家制訂的。

國內(nèi)的精密鍛造工藝發(fā)展和推進(jìn)的速度緩慢，主要制約因素有以下兩點(diǎn)：

⑴下料精度無法保證，國內(nèi)生產(chǎn)的老式剪床下料的質(zhì)量精度、端面平整度、垂直度等無法保證精密鍛造的要求。

⑵鍛壓設(shè)備都比較陳舊，在最大頂料行程位置沒有保持時(shí)間。

一汽巴勒特鍛造有限公司根據(jù)現(xiàn)有的設(shè)備特點(diǎn)及精度，開發(fā)出適應(yīng)現(xiàn)有設(shè)備的精密鍛造工藝，從工步確定、工步間的定位、模具結(jié)構(gòu)都有創(chuàng)新，成功地在幾十年前就投入生產(chǎn)使用的鍛壓機(jī)上實(shí)現(xiàn)了無飛邊鍛造工藝，并且批量生產(chǎn)。這對國內(nèi)其他公司，尤其是老的鍛造公司有很好的借鑒作用。

應(yīng)用情況

2009年10月，開始開發(fā)精密鍛造工藝，主要應(yīng)用在一汽解放公司12擋變速箱中所有齒輪件，共有13個(gè)品種。2010年，推廣應(yīng)用到所有回轉(zhuǎn)體類的高度超過25mm的齒輪，同年開發(fā)殼類件、近似回轉(zhuǎn)體的突緣類鍛件和扁薄齒輪類鍛件的精密鍛造工藝并得到應(yīng)用。2011年，開發(fā)活塞裙等非回轉(zhuǎn)體類鍛件的無飛邊鍛造工藝。截止2012年，公司共有160多種鍛件已經(jīng)采用精密模鍛工藝進(jìn)行生產(chǎn)，為公司創(chuàng)造了巨大的價(jià)值。

節(jié)能減排

技術(shù)創(chuàng)新及其先進(jìn)性體現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)綠色鍛造和符合低碳發(fā)展的要求上，同時(shí)能為節(jié)能減排做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。一汽巴勒特鍛造公司通過對精密鍛造工藝的開發(fā)和應(yīng)用，達(dá)到了實(shí)現(xiàn)低碳環(huán)保、推進(jìn)綠色鍛造的效果。通過統(tǒng)計(jì)公司連續(xù)12個(gè)月的生產(chǎn)記錄，得出以下結(jié)論。

⑴實(shí)際生產(chǎn)過程中，減少了607t的原材料消耗，節(jié)約材料費(fèi)287萬元。

⑵每年減少鋼材運(yùn)輸607t，減少運(yùn)輸、物流成本15萬元。

⑶節(jié)約的鋼材每年節(jié)約加熱費(fèi)用24萬元，節(jié)電46萬千瓦時(shí)。

⑷鍛件精度提高，減少了廢品，又節(jié)約了刀具消耗（加工余量減小產(chǎn)生的效果）。

⑸其他方面，齒輪件采用精密鍛造工藝后，不但將材料利用率提高了十個(gè)百分點(diǎn)，還用簡單的沖孔模取代了復(fù)雜的切邊沖孔復(fù)合模，復(fù)合模結(jié)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)整難、易損壞、造價(jià)高（造價(jià)是沖孔模的3～4倍），而且一個(gè)品種就得配一套復(fù)合模；沖孔模具結(jié)構(gòu)簡單，不用調(diào)整，可以同多個(gè)品種共用，換品種由過去的要更換模具變?yōu)榱酥恍韪鼡Q沖頭和沖頭座，大大地減少了模具消耗及換模時(shí)間。

結(jié)束語

一汽巴勒特鍛造有限公司通過精密鍛造工藝的開發(fā)和應(yīng)用，達(dá)到了提高鍛件精度、提高材料利用率、提高生產(chǎn)效率、降低模具費(fèi)用、降低廢品率、降低動(dòng)能消耗的目的，更重要的是降低了鍛件余量，達(dá)到了鍛件生產(chǎn)單位與鍛件加工單位雙贏的效果，實(shí)現(xiàn)了低碳環(huán)保、推進(jìn)綠色鍛造的目的。對回轉(zhuǎn)體及類回轉(zhuǎn)體鍛件的鍛造提供了良好的借鑒作用。

裝備 Equipment