锻造模具的优化设计

随着汽车、航天、造船等工业的不断发展，锻造部件正被越来越广泛的采用，然而我们现有锻造水平与国外发达国家相比还有很大的差距，。
 
　　本人结合自己多年在中重型汽车曲轴模具方面的一点设计经验，浅谈一下锻造模具设计的一些优化设计思路，主要围绕以下几方面展开：
 
　　1）        型腔锻件的减肥；
 
　　2）        模块结构的优化；
 
　　3）        模具分型的调整；
 
　　4）        模具三维造型中曲面造型质量的提升。
 
　　在经历了以上几方面的改进，锻造模具寿命会得到明显提高，材料利用率进一步提升，在节约了大量生产成本的同时，产品质量也得到了巩固和提升，对企业来说很好的实现了毛坯生产部门与成品机加工部门双赢的需求。
 
　　1分析问题的切入点
 
　　一提起毛坯给人的感觉好像是多一毫米不多，少一毫米不少的那种粗糙活的感觉，然而随着企业节能增效意识的不断增强，在实际的生产过程中毛坯的设计是有许多学问值得深究的，毛坯的质量又与模具的设计是息息相关的，其设计的合理性直接影响到锻造成本和加工成本的控制。如果毛坯余量较大，余量分布又不合理，会使锻造用原材料增加，机加工费用提高，反之余量较小会让锻造废品率增加。
 
　　因此锻造模具的优化设计首先应该考虑到锻造与加工对余量需求的一个最佳平衡点——即在保证加工余量最小化的同时，又要保证毛坯因加工量不足而产生的废品率在一个可控的合理范围以内。
 
　　2制定改善目标
 
　　由于我们锻造毛坯的主成型设备为对击锤，设备在工作过程中上下锤头磨合间隙较大，容易引起锻件错模，故模具型腔设计时主轴径和连杆径不易做过大减肥处理，由于设备自身特点决定无法实现在模具型腔内加装顶出装置，因此锻件拔模角不能进一步减小。这样减肥的重点只能放在锻件曲柄侧面的加工量方面。
 

　　3确定重点改善对象
 
　　曲面分型锻造主要生产工艺为：辊锻、预锻、终锻、切边、校正，各工序之间是一个连续和关联的的过程，其任何一个环节的变动都会引起其它环节的联动，正所谓牵一发而动全身。然而前三道工序是与锻件的最终成型质量相关，后两道工序与锻件的外观质量相关，因此改善的重点应放在前三道工序上。辊锻作用是合理分配原材料，满足锻件不同部位用料需求的变化；终锻事关最终锻件各部位具体成型尺寸；预锻在其以上两者之间起承上启下的过渡作用。从它们的工作原理和作用来看，我们把辊锻和终锻选定为此次改善工作中的重中之重。
 
　　4改善措施
 
　　4、1辊锻模具的改进
 
　　改善之前辊锻模具使用过程中存在的问题：
 
　　a) 辊制锻件长度不稳定，大小头长度不一致，锻件两端容易出现小折叠或缺材等缺陷。其产生的主要原因加热棒料入钳口的位置存在不足，设备一动作的时候棒料的钳制初始位置容易发生滑移。
 
　　b) 模具安装、拆卸、更换不方便，不利于车间的快速换产需求。
 
　　针对以上两个问题作出如下图所示改进方案：

原来辊锻模具
                                                                                             
 更改后的辊锻模具
 

改进后的模具，棒料入钳口的位置，由原来的变形区调整为平缓的引导区，很好的解决了设备刚一开始动作时棒料的打滑现象，模具的结构由原来的整体式，调整为现在的活块式，即方便了车间模具的装卸，又减少了昂贵模块的用量，节约了模具的加工费用，实现了一举多得的效果。
 
　　C)由于辊锻滑移系数选择的不精确，造成辊坯与锻件各部位一一对应效果不理想，不能有效保障锻件各部位用料。辊锻滑移是辊锻设计中的一个难点，其滑移量与设备、辊坯材料、辊制变形比、模具结构、模具型腔粗糙度等有关，为了掌握滑移系数的选取，我们在查阅大量相关设计资料的基础上，结合以前车间模具调整的实际数据总结出我们的辊锻模具滑移系数的选取范围应在4.8%-7.2%，在此范围内滑移系数又与辊坯的变形比成一定的正比关系,以此来进一步确定实际中各部位的滑移，通过这一项工作的完善，彻底改变过去辊锻以试制调试为主的设计模式，现在对辊锻质量的预期有了明确的量化能力，模具设计好后可免去调试修整的实验过程。
 
　　4、2终锻模具的改进
 
　　由于对锻件各部位进行了减肥处理，这样锻造模具型腔体积减小，特别是模具曲柄部位型腔比以前变窄，造成锻造时金属流动阻力增加，不利于锻件的最终成型。因此怎样保证锻造时的金属流动性的最大化是终锻模设计的关键所在。在做改进设计时主要思路：
 
　　①模具分型结构所引起的锻造流线必须符合产品各部位力学性能的需要。
 
　　②由于下模传热快，锻坯热量损失多，温度下降快，因此模具分型面要向下模偏移，使下模型腔深度比上模要浅5-10mm，以便保证上下型填充的同步性。
 
　　③适当增加模具边缘倒角由原来的R5调整到R8，进一步减少胚料与模具之间的摩擦力。
 
　　④增强锻件曲柄侧面光顺程度，使模具的造型光顺方向与锻造时金属的流动方向一致。
 
　　⑤终锻模具的三维造型质量与模具的使用性能密切相关，型腔内所有面与面的连接最好都要求在G2以上的标准，这对锻造的金属流动性、锻件的顺利出模和模具的使用寿命的提升都至关重要。

改造前型腔造型曲面存在褶皱   改造后型腔造型质量明显提高

⑥调整模块结构，消除锻造过程中容易引起锻造应力的地方，改造后的终锻模具不但整体模具强度得到很大提高，并且方便了机械手对工序锻件的抓夹周转。如下图所示：

改造前的终锻模具模块结构

改造后的终锻模具模块结构
 

4、3其它工序模具的调整
 
　　预锻、切边、校正模具的调整都是以终锻模具为基准，做相应的适应性调整。
 
　　5、小结
 
　　通过对以上产品模具的调整，实践证明我们取得了预期的成果：
 
　　首先模具的使用寿命得到明显的提高，终锻模具生产锻件数量由过去的平均2717件/副，提高到现在的2967件/副，模具寿命提高9.2%,由于模具型腔的设计更有利于锻造金属的流动，锻打一支曲轴对击锤的对击次数可以减少2次。
 
　　锻件外在质量有了很大改观，锻件表面折叠、飞刺等锻造缺陷相比以前明显减少，在很大程度上减轻了车间锻件入库前的人工打磨负担，锻件填充质量得到改善，锻件的焊补率由原来的2%，下降到现在＜1%。
 
　　锻件的重量减小，并且锻件的加工余量分布更趋合理，对机加工的效率提升和加工成本的节俭都起到了积极的作用。
 
　　锻件的内在质量得到提升，通过对模具的优化设计，使其下料规格发生变化，由原来的φ170*750，变化为φ160*810，这样单支锻件节省5.3Kg的原材料，并且原材料的直径由170降到160增加了钢材的轧制比，使得原材料的内在组织比以前更好，有利于锻件机械性能的相应提高。
 
　　综合以上成果，粗略估计一下，一年我们至少可以节约资金60万元以上。