球面銷鍛造模具設計及冷鍛技術應用

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本文以球面銷為研究對象，分析球面銷的鍛造模具設計及對稱平面的冷精鍛。通過有限元分析，得出使球面銷不產生內應力所需的合理精壓余量，設計合理的模具，保證鍛件的強度和精度。通過大批量生產進行驗證，對冷精鍛生產過程中出現的缺陷進行分析，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鍵零部件，物理、力學性能都有較高的要求。實際使用中，由于材料強度很難得到保證，經常發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

球面銷在鍛造生產中對工藝和模具設計有一定的要求。鍛件的材料為40Cr，經初步估算，鍛件重約3.1kg。鍛件長200mm，中間球狀直徑約78mm，兩端為扁平結構，交接處有臺階，這決定了只能采用臥式鍛造。鍛件成形的關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個平面為產品關鍵特性，鍛造難以同時滿足其尺寸及公差、形位公差和表面光潔度的要求。因此我們針對該位置的特性新增冷精鍛工序，進一步優化加強該處關鍵特性，以期達到客戶要求。目前鍛件成形方案有兩種：一種是鐓粗→預鍛→終鍛；另一種為鐓粗預成形→終鍛。兩種工藝在實際生產中各有利弊，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。我公司經過多次驗證，綜合以上兩種方案的優勢，改進的方案為：鐓粗預成形+預鍛→終鍛，既提高了模具壽命，又提高了材料利用率。綜上分析：明確球面銷生產工藝流程為：下料→加熱→鍛造(鐓粗預成形+預鍛→終鍛)→熱處理→后處理(探傷、拋丸、打磨等)→冷精鍛→包裝。

二、球面銷模具設計

預成形及預鍛模模具設計該鍛件體積不大，故預成形(圖2)和預鍛設計(圖3)在一個模具中，減少一個模具安裝工位，模具設計應注意以下幾點：(1)體積比：終預鍛體積比的大小會影響模具壽命，一般預成形、預鍛、終鍛的體積比控制在1.2:1.1:1。(2)預成形模和預鍛模R角設計：一般R角預鍛較終鍛大2～3mm，預成形R角盡量取上限，以適應預鍛輪廓要求的大小為宜。終鍛模模具設計終鍛模具設計(圖4)，在符合圖紙的前提下，應滿足以下幾點：⑴精鍛面反補償?。簩τ诰懨孑^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，凸弧面的設計尺寸為23.96mm。此種設計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；同時也是為了保證冷精鍛時材料的流動，避免鍛件平面產生凸起、折疊等不利現象。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計，即此處鍛件厚度按極限負差設計。⑶公差選擇：按圖紙和DIN10243-1-2005標準要求，鍛件R角按上限設計(+0.5r)；球銷加工面按正差設計，非加工面按零位偏負差設計。⑷拔模角：在符合圖紙要求的前提下，力求3°。通過飛邊的生產驗證對球面銷的鍛造而言，外形結構簡單，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，根據產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坯料長度是否合適。⑶鐓粗預成形及預鍛模的設計是否合理。冷精鍛模具設計精鍛量的選取應充分考慮客戶的需求。精鍛量過大，嚴重損耗設備、模具；精鍛量過小，難以達到表面光潔度要求。如圖1所示球面銷，精鍛面做了凹面反補償處理，精鍛量取0.3～0.5mm。冷精鍛模具(圖6)設計的關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差設計，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，對鍛造成形過程中的關鍵參數進行模擬，提供有價值的分析數據。減少了模具的優化過程，大大減少了生產成本，提高了生產效率。通過DEFORM-3D對球面銷的預鍛、終鍛和冷精整3個工序進行有限元模擬分析。預鍛和終鍛的速度場顯示了金屬的流動速度和流動方向，通過模擬對模具模型進行不斷的優化設計，模擬的最終結果如圖7所示，金屬流動流暢，充填飽滿。預鍛和終鍛應力場顯示了鍛件的受力情況，通過圖5飛邊分布形狀模擬對模具的應力集中部位進行優化，可提高模具壽命。模擬最終結果如圖8所示，產品內外部受力均勻，無明顯的應力集中部位。冷精鍛的應力場如圖9所示，通過對終鍛模具設計的反補償面的精鍛面的受力模擬分析，控制鍛件精整后產生的內應力，保證鍛件不會造成拱起。通過模擬結果顯示，鍛件的最大應力不超過453MPa，滿足工藝要求。

四、結束語

⑴通過對球面成形工藝的優化(將鐓粗更改為預成形)，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際需求、產品冷精鍛面的大小、冷精鍛后的彈性變形等存在相關性。需合理設計，必要時可做反補償，多做生產驗證，在滿足客戶要求的前提下，減小設備噸位和模具損耗。⑶通過DEFORM-3D軟件分別對預鍛、終鍛和冷精整工序進行模擬分析，根據產生的問題對模具進行不斷的優化調整，通過生產進行驗證，大大減少了企業的生產成本，提高了生產效率。

作者:金朝暉 吳雅俊 吳曾龍 單位:安徽安簧機械股份有限公司