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商用车连杆预锻模具寿命提升研究

最近几年,中国商用车产销增速明显加快,对于商用车连杆类锻件的需求也与日俱增。但是市场化竞争也日益激烈,如果不能提质降本,将会失去很大的市场份额。然而我公司商用车连杆类锻件,预锻模具平均寿命一直很低,模具成本居高不下,制约了公司年度经营目标的实现。另外几种模具寿命不匹配,频繁换模,也严重影响班产以及锻件的一致性。因此,提高连杆预锻模具寿命势在必行。


连杆预锻模具寿命分析

预锻模具寿命影响因素

模具寿命是指在保证制件品质的前提下,模具所能达到的生产次数。影响锻造模具寿命的因素有很多,如设计合理的锻造成形件,合理的机械加工工艺及加工精度,合理的模具钢热处理工艺。因此,为了提高模具的使用寿命,应着重从以上几方面考虑。模具的早期失效形式,多为凸模断裂、模膛边缘堆塌、飞边槽桥部龟裂、模腔底部发生裂纹。


商用车连杆结构复杂,不能够一次成形,我公司商用车连杆生产主要的成形工艺包括辊锻、压扁、预锻和终锻四个工步。锻件在预锻成形过程中,坯料形状与预锻型腔结构差别很大,坯料的剧烈流动会对模具产生磨损,变形量越大,料分布越不合理,磨损的越快,相应的模具寿命就越低。对于连杆预锻模具,桥部磨损非常严重,当桥部磨损到一定程度时,桥就失去了封料的作用,锻件充不满。同时,锻件的飞边也会变厚且不规整,影响后续的生产过程。


模具寿命提升方法

目前,预锻模具寿命为2500件,终锻模具寿命为5000件,想提高预锻模具寿命就得降低预锻模具的磨损速度。图1为预锻模具新旧结构对比图,图2是新旧结构的工步件对比图,从图中可以看出,旧式压扁结构成形简单,只是对辊坯进行一个简单的拍扁,属于模糊成形,从结构上旧式压扁与预锻相差很大,而新结构压扁从体积分布上更接近预锻,从压扁到预锻变形量小,料分布更加合理。

结果与分析

对于本文中的商用车连杆锻件,由于较高的模具制造成本和较长的加工周期,不可能实现多种方案的实际验证,但是不试验,还不能寻求最佳的解决方案。为此有限元模拟软件Forge的引入有助于解决这个关键的矛盾,它将锻造过程中金属零件的连续变化通过计算机模拟呈现在技术人员面前,帮助技术人员对金属的流动过程和缺陷进行分析,运用分析数据进行锻件和模具设计的优化。并且不需要投入实际的生产验证,从而节约了试模的成本,也因为减少了模具的不断改动而缩短了零件的研发周期。


有限元分析

锻造过程中,坯料和模具在高温、高载荷环境下相互接触,金属由于塑性变形在模膛内流动,与模具表面发生相对运动,摩擦使模具表面磨损,最终导致模具失效。数值模拟可以直观的反映模具的磨损情况。


压扁之后,坯料放入到预锻型腔中,如图3所示,绿色和黄色的结构为连杆的预锻模具,红色的是压扁之后的坯料。从图中可以看出,新压扁结构的坯料外形尺寸与预锻模具型腔匹配性很好,而旧压扁结构的坯料尺寸与预锻模具型腔差别很大。


利用Forge仿真软件对新旧结构进行了模具磨耗的分析,如图4所示,图a为采用新压扁结构时预锻模具的磨耗云图,图b为旧压扁结构时预锻模具的损耗云图,将云图的磨耗范围统一更改成0~5000 mm.MPa。从两幅云图对比可以看出,旧压扁结构的磨耗明显比新压扁结构的磨耗更严重,选取桥部相同位置,磨耗分别为895mm.MPa和1722mm.MPa。压扁结构改进后,预锻模具桥部磨损程度明显降低。这是由于旧式压扁结构在预锻成形过程中坯料变形非常大,材料发生了剧烈的流动,所造成的模具磨损也相应更大。而新式压扁结构,预锻坯料的料杆外形尺寸已经非常接近预锻模具杆部型腔的尺寸,未发生剧烈的材料流动,所以造成的模具磨耗也比较小。


实际验证

根据仿真分析结果,我们选取了最优的压扁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原始压扁结构生产时保持一致。验证结果如图5所示,图a为使用新压扁结构后的预锻模具状态,模具平均寿命能达到5000件,图c为使用旧压扁结构后的模具状态,预锻模具平均寿命为2500件,从两幅图对比可以看出,图a的模具表面模具状态明显比图c的模具表面状态好,尤其是桥部磨损,模具寿命提升了一倍。图b为使用新式压扁结构后锻打2500件时的模具状态,锻打相同件数时的模具状态有明显差别,图b中的模具型腔基本没有磨损,桥部磨损也不严重。


结论

综上所述,利用Forge软件进行模具磨耗分析和多批次实际生产验证,得出以下结论:商用车连杆的预锻模具平均寿命由2500件提升到5000件,寿命提升一倍,与终锻模具寿命基本保持一致,不用频繁换模,锻件一致性好,模具成本大幅度降低,为公司实现盈利目标提供有力的支持。


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