商用车活塞终锻模具分体结构研究

随着国家对环保治理力度的加大,对发动机排放标准要求日趋严格,为满足发动机排放标准的要求,锻造钢活塞在发动机活塞主流生产工艺中有广阔的发展前景。但是市场化竞争也日益激烈,如果不能提质降本,将会在活塞市场攻占过程中失去先机。然而我司商用车活塞生产过程中终锻模具平均寿命一直很低,在生产300 件左右沿裙部出现开裂趋势,连续生产后,随着模具慢慢失效,模具最终开裂,模具成本居高不下,频繁换模,班产提升不上去,对公司提质降本,攻占活塞市场造成了很大的阻碍,因此提高活塞终锻模具寿命势在必行。

活塞终锻模具寿命分析

终锻模具开裂原因

商用车活塞结构复杂,不能一次成形,本司商用车活塞生产主要的成形工艺包括镦粗→预锻→终锻三个工步。锻件型腔深,裙部薄,极难成形;深型腔设计在下模,预锻型腔与终锻型腔仿形设计,因此在预锻时锻件便已初步成形,当预锻件放入终锻模具,成形过程中凸台侧和裙部圆角处受力过大,一般在生产500 件活塞后会造成模具沿圆角开裂甚至整块模具破裂,如图1 所示。

终锻模具分体设计

商用车活塞终锻模具分体结构研究的图1

图1 整体模具开裂

目前,终锻整体模具平均寿命为500 件,要想提高终锻模具寿命就得降低终锻模具易开裂部分应力,因此,对模具进行分体设计是一个很好的解决方法。如图2 所示,将复杂且形状不规则的模具分体,分体后的模具由外套和内芯两部分组成。我司活塞模具选择在裙中间分体,这种分体方式便于模具制作,且能够有效的减小应力;接触面采用过盈配合,这样可以避免分体位置钻毛刺。结合面需要设置一定长度的直段,这样可以起到防转的作用。

结果与分析

对于商用车活塞锻件模具,型腔很深,国内多采用电极和数控加工相结合的方式进行制造,有较高的模具制造成本和较长的加工周期,我们采用多种方案进行验证,发现不符合实际条件,因此采用有限元模拟软件Forge 对模具应力进行分析,将锻造过程中模具受力的情况通过计算机模拟呈现出来,帮助技术人员运用分析数据进行模具设计的优化,节约了试模的成本,缩短了模具改进的周期。

有限元分析

对于形状复杂、成形困难的活塞而言,在模具应力模拟中,是先将锻件视为塑性变形体,将模具视为刚性体;成形之后,将模具视为弹性体,锻件被移除,锻件上的载荷力被映射到模具上。
利用Forge 仿真软件对整体结构和分体结构进行了模具应力的分析,图3 为终锻成形之前的模拟截图。预锻之后,坯料放入到终锻型腔中,整体模具和分体模具同步进行,选用相同的预锻工步件,模拟数值设置相同。
图4 是模拟的模具米塞斯应力,图4(a)为采用整体结构时终锻模具的米塞斯应力云图,图4(b)为分体结构时终锻模具外套的米塞斯应力云图,将云图的应力范围统一更改成0 ~3000MPa,从两幅云图可以看出,整体结构边缘圆角处的等效应力值大多分布在2200 ~3400MPa,局部应力可达3000 ~3400MPa。而分体结构边缘圆角处的等效应力值大多分布在600~1400MPa,局部应力可达1200 ~1400MPa。对 比 两 种结构相同位置的等效应力,分体模具圆角根部米塞斯应力降低60%~70%,效果非常明显。

商用车活塞终锻模具分体结构研究的图2

图2 活塞模具分体结构设计

商用车活塞终锻模具分体结构研究的图3

图3 终锻成形前模拟图

商用车活塞终锻模具分体结构研究的图4

图4 模具米塞斯应力

商用车活塞终锻模具分体结构研究的图5

图5 模具第一主应力

本文再次对第一主应力进行分析比较,如图4 所示,整体结构整个圆角根部都受拉应力,相当于单向拉伸状态,且应力值范围是2500 ~3300MPa,超过抗拉强度,存在开裂风险,可能在单次载荷下就会开裂。对于分体结构,裙部圆角根部第一主应力绝对值远大于第二、第三主应力,该处受拉应力,相当于单向拉伸状态,且应力值范围是600 ~1100MPa,应力值未超过抗拉强度,在多次循环载荷下会出现疲劳,产生微小裂纹,存在开裂风险,但不会在单次载荷下开裂;凸台处圆角根部第三主应力绝对值远大于第一、第二主应力,该处受压应力,相当于单向压缩状态,无开裂风险。综合来看分体结构明显优于整体结构,应力降低效果明显。

实际验证

根据Forge 软件分析结果,我们选取了最优的分体结构进行多次生产验证,生产时的设备状态、加热温度等参数都与使用整体结构生产时保持一致,确保无其他因素干扰模具寿命。验证结果如图6 所示,图6(a)为使用分体结构的终锻模具状态,模具平均寿命能达到2200 件,图6(b)为使用整体结构的模具状态,终锻模具平均寿命为500 件左右时开裂,从两幅图对比可以看出,分体结构的模具状态明显比整体结构的模具状态好,达到2300 件左右时也没有开裂,仅仅是正常的疲劳磨损,模具寿命提升了4.6 倍。

结束语

综上所述,利用Forge 软件进行模具应力分析和多批次实际生产验证,得出以下结论:
⑴分体设计后的活塞终锻模具平均寿命由500件提升到2300 件,提升了4.6 倍的模具寿命,不用频繁换模,锻件一致性好,模具成本大幅度降低。
⑵通过有限元软件Forge 可以指导活塞模具的设计和持续改进,缩短试验周期。

商用车活塞终锻模具分体结构研究的图6

图6 实际模具寿命


终锻模具活塞终锻模具

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