曲轴体锻造胎模的有限元分析与改进

第33卷第5期Vol 133　No 15FORGING &S TAMPING TECHNOLOGY2008年10月Oct.2008曲轴体锻造胎模的有限元分析与改进吴裕农,许中明(顺德职业技术学院机电工程系,广东顺德528333)摘要:为解决曲轴体毛坯锻造胎模在生产中工作寿命过低的问题,采用有限元方法分析模具在工作时的受力状况,提出采用组合式模具的解决方案,并根据有限元分析结果确定模具设计的各项参数。

新设计的组合式模具投入生产后,其工作寿命为原有整体式模具的数倍,证明模具改进效果显著,也表明在模具设计中深入应用有限元技术具有重要意义。

关键词:组合锻造胎模;曲轴;工作寿命;有限元分析中图分类号:TG 31512 文献标识码:A 文章编号:100023940(2008)0520017203Finite element analysis and improvement of forging mould for crankshaftWU Yu 2nong ,XU Zhong 2ming(Department of Mechanical and Electrical Engineering ,Shunde Polytechnic ,Shunde 528333,China )Abstract :The finite element method was used to analysis the stress in the forging mould of crankshaft blank to solve the long existed problem of the forging mould short working life.A combined structure forging mould was designed and the parameters were determined according to the results of the analysis.The working life of the combined structure mould was several times longer than the original mould.It indicates that the improvement of the mould structure is sig 2nificant and it is important to use the finite element method in mould design.K eyw ords :combined structure forging mould ;crankshaft ;working life ;finite element analysis收稿日期:2008203212;修订日期:2008205215基金项目:顺德职业技术学院基金项目(20062K J 12)作者简介:吴裕农(1961—),男,学士,高级工程师电子信箱:wyn0795@1631com1　引言长期以来,零件的锻造工艺分析和锻造模具设计以行业标准和实际经验为主,然而用这种方法设计出来的模具质量往往不高,导致模具工作寿命短或模具调试时间长[1]。

近年来,随着有限元理论及软件的迅速发展,研究人员也逐步应用其来帮助制定锻造工艺或进行模具设计[223]。

用有限元方法分析和设计锻模可以很直观地得到模具受力、失效情况及锻件可能出现的缺陷情况[425],这对模具结构的设计和改进等有重要的作用。

本文以曲轴体毛坯锻造模具的设计改进为例,研究用有限元方法分析模具工作时的受力状况,在此基础上提出采用组合式模具的改进设计方案,并根据有限元分析结果合理确定模具结构的各项参数。

2　曲轴体整体式锻造胎模及其存在问题 YN30风动凿岩机上有一对长短曲轴体零件,在工作中承受很大的扭矩和冲击力,需要锻造出毛坯再进行机械加工。

曲轴体毛坯如图1所示,其锻造工艺流程为:下料—加热—摔拨杆部—终锻成形—切边,如图2所示。

曲轴体毛坯属于杆较长、凸缘直径较大而厚度较小的锻件,锻造成形时变形量大,所需的锻造力也大,因此,在终锻时,模具受较高工作温度和很大锻造力的交互作用。

图1　曲轴体毛坯(材料:20CrMnMo )Fig 11　Crankshaft blank (material :20CrMnMo )终锻成形模具原来采用整体结构,材料为5CrMnMo 、热处理硬度40～44HRC ,如图3所示。

该模具在生产中存在一个严重的问题,即工作寿命过低,平均每副模具只锻造出200余件毛坯就失效报废,这不但导致模具成本非常高,也大大降图2　工艺流程Fig 12　Forging process低了生产效率,影响了企业的正常生产。

图3　曲轴体锻造胎模Fig 13　Forging mould of crankshaft blank3　曲轴体锻造胎模的有限元分析为了改进曲轴体毛坯终锻成形模具,对其进行有限元分析以了解具体的受力情况。

在锻造过程中,模具受力很复杂,包括锻压力、摩擦力、附加力等,以锻压力为最大,其他力远小于锻压力,因此,忽略其他力的影响,只取锻压力为外载荷[6]。

建模时,采用8节点的SOL ID45六面体单元[7],采用自由网格划分,由于圆角部位可能存在较大应力,因此在该部位进一步加细划分网格。

根据所用的模具材料,在计算中取弹性模量E =211GPa ,泊松比ν=013,锻压力载荷为67M Pa 。

模具在高温下终锻成形时受力的有限元分析如图4所示。

图4　曲轴体锻造胎模的有限元受力分析结果Fig 14　Analysis result s of forging mould从图4可以看出:(1)成形凸缘圆角区域受力最大,而该处的模体厚度小,因此要求模具材料的韧性要好,热处理硬度不宜高,否则易锻造破裂;(2)成形杆部的模具孔口区域受力大,同时炽热的坯料在此急剧滑移、变形,使模具的受热时间长、温度高、散热慢,模具基体回火变软,产生变形(近孔口端面下塌、孔口直径变小)及粘连、摩损(孔口下部摩损变大及表面热裂纹),因此,此处模具材料的红硬性要好,热处理硬度相对要高。

现场调查结果同样显示,报废的模具除少数是在图5a 处,即成形凸缘直径模腔边被打裂外,其余大部分是在图5b ,5c 和5d 处损坏。

在图5b 处,台阶孔口下部口径摩损变大,有较深的热裂纹痕迹;在图5c 处,台阶孔口圆角堆出模体金属;在图5d 处,近台阶孔口模槽底部下塌。

调查情况表明,模具在图5b 和5c 处损坏后,锻件难于从模具中脱出,需经车削台阶孔口返修后再使用,最终模具因孔口直径过大而报废。

检验返修后的模具,其孔口处已完全回火没有硬度,而在模腔边缘处仍有硬度。

以上调查结果与有限元分析的结果相符合,这为模具改进设计提供了进一步依据。

图5　模具失效示意图Fig 15　Sketch of mould failure4　锻造胎模设计改进有限元分析和现场调查都表明,杆长、凸缘大而薄的锻件在锻造成形时模具各部分受力、受热负荷差别很大,模具的孔口区域机械强度不够,从而导致其工作寿命短。

因此,为提高其工作寿命,可以有针对性地采用组合式模具结构,如图6所示。

图6　组合锻造胎模Fig 16　Forging mould of combined struct ure81锻　压　技　术 第33卷模具用红硬性、抗热疲劳性和淬透性更好的3Cr2W8V 材料做内模,热处理硬度为48～52HRC ,比整体模更高,从而提高模具抗回火性和热强度,并提高模具此处抗变形、粘连、摩损和热裂的能力。

检验使用至返修后的内模,其型面上仍然有相当的硬度。

同时,分体结构改善模具的受力,内模承击端面产生均匀压变形。

该模锻造了300余件毛坯后,内模端面只有015mm 的压变形,而整体模具在完成200余件毛坯锻造后,孔口处槽底压陷变形达到215mm 。

外模材料仍用5CrMnMo ,但热处理硬度为38～42HRC ,比整体模稍低,从而提高成形凸缘直径处模腔韧性,避免锻裂。

为了确定内模的尺寸,可以从有限元分析的结果中提取出孔口区域等效应力随位置变化的曲线,如图7所示。

从图7中可以看出,在模具的孔口区域,等效应力随端面半径增大而减小,当端面半径大于30mm 时,等效应力的下降趋势开始变缓,但其应力已下降至76MPa 。

因此,根据有限元分析的结果确定内模承击端面直径为60mm 。

图7　模具孔口区域受力与位置的关系Fig 17　Relation between st ress and position in region of mould hole另外,为了锻造锤击震动和翻身冲取锻件时组合模具结合可靠且不脱离,内外模用6°锥角相配,这样可达到加工制造简单、组合方便的效果。

内模上端面高出外模型腔平面013～016mm (图6所示的尺寸h ),从而使内模在工作时产生预紧力,提高了承载能力,且锻件的背端面光洁无痕迹。

内外模压配后底面一同磨平。

5　改进效果整体式与组合式模具的工作寿命对比见表1。

表中,组合式模具的指标仅是其内模工作寿命,而外模在先后配两只内模打坏后还能使用,显著提高了模具的工作寿命,从而大大节省模具材料。

组合式模具的制造成本仅比整体式高30%。

可见,本项设计改进的效果很显著。

表1　模具工作寿命对比T able 1　Contrast of mould w orking life 模具类型整体式寿命件/模组合式寿命件/模长曲轴体模2131157短曲轴体模1991203采用此法对风动凿岩机上的圆台阶类零件离合器体———活塞导程的锻造制坯胎模进行改进,如图8所示(内模:材料3Cr2W8V ,热处理硬度46～50HRC ;外模:材料5CrMnMo ,热处理硬度40～44HRC ),同样也取得了很好的效果。

图8　圆台阶类锻造胎模Fig 18　Forging mould of pedestal type6　结论(1)大凸缘2长杆类锻件胎模采用组合模具,可以大大提高模具的工作寿命。

该方法同样可用于返修整体模具,修复时,只要将失效报废的整体模具按要求扩大孔口加工成外模,再配制内模就可以了。

(2)用有限元方法能准确分析模具在锻造时的受力状况,可以有效指导模具设计或改进。

(3)采用组合模具法对圆台阶类零件制坯胎模进行改进,同样取得了很好的效果。

参考文献:[1]　吕成,张立文,牟正君,等.TC4钛合金锻件锻造过程三维热力耦合有限元模拟[J ].锻压技术,2007,32(1):28231.[2]　任运来,聂绍珉,牛龙江,等.大型锻件锻造拔长新工艺[J ].机械工程学报,2007,43(11):2242228.[3]　罗静,胡建军,金艳,等.摩托车档位齿轮成形数值分析与模具结构优化[J ].锻压技术,2007,32(4):1242126.[4]　王海平,张耀宗,李林刚,等.轿车差速器齿轮精密成形的有限元数值模拟[J ].锻压技术,2007,32(5):1212124.[5]　廖培根,方刚,雷丽萍,等.大锻件中心压实法(J TS )锻造过程有限元分析[J ].锻压技术,2007,32(6):43246.[6]　锻模设计手册编写组.锻模设计手册[M ].北京:机械工业出版社,1991.[7]　张波,盛和太.ANSYS 有限元数值分析原理与工程应用[M ].北京:清华大学出版社,2005.91第5期吴裕农等:曲轴体锻造胎模的有限元分析与改进 。