文／胡鑫帥，楊航，王建軍，閆東奇·一汽鍛造（吉林）有限公司

隨著國家對環(huán)保治理力度的加大，對發(fā)動(dòng)機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)要求日趨嚴(yán)格，為滿足發(fā)動(dòng)機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，鍛造鋼活塞在發(fā)動(dòng)機(jī)活塞主流生產(chǎn)工藝中有廣闊的發(fā)展前景。但是市場化競爭也日益激烈，如果不能提質(zhì)降本，將會(huì)在活塞市場攻占過程中失去先機(jī)。然而我司商用車活塞生產(chǎn)過程中終鍛模具平均壽命一直很低，在生產(chǎn)300 件左右沿裙部出現(xiàn)開裂趨勢，連續(xù)生產(chǎn)后，隨著模具慢慢失效，模具最終開裂，模具成本居高不下，頻繁換模，班產(chǎn)提升不上去，對公司提質(zhì)降本，攻占活塞市場造成了很大的阻礙，因此提高活塞終鍛模具壽命勢在必行。

活塞終鍛模具壽命分析

終鍛模具開裂原因

商用車活塞結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不能一次成形，本司商用車活塞生產(chǎn)主要的成形工藝包括鐓粗→預(yù)鍛→終鍛三個(gè)工步。鍛件型腔深，裙部薄，極難成形；深型腔設(shè)計(jì)在下模，預(yù)鍛型腔與終鍛型腔仿形設(shè)計(jì)，因此在預(yù)鍛時(shí)鍛件便已初步成形，當(dāng)預(yù)鍛件放入終鍛模具，成形過程中凸臺(tái)側(cè)和裙部圓角處受力過大，一般在生產(chǎn)500 件活塞后會(huì)造成模具沿圓角開裂甚至整塊模具破裂，如圖1 所示。

終鍛模具分體設(shè)計(jì)

圖1 整體模具開裂

目前，終鍛整體模具平均壽命為500 件，要想提高終鍛模具壽命就得降低終鍛模具易開裂部分應(yīng)力，因此，對模具進(jìn)行分體設(shè)計(jì)是一個(gè)很好的解決方法。如圖2 所示，將復(fù)雜且形狀不規(guī)則的模具分體，分體后的模具由外套和內(nèi)芯兩部分組成。我司活塞模具選擇在裙中間分體，這種分體方式便于模具制作，且能夠有效的減小應(yīng)力；接觸面采用過盈配合，這樣可以避免分體位置鉆毛刺。結(jié)合面需要設(shè)置一定長度的直段，這樣可以起到防轉(zhuǎn)的作用。

結(jié)果與分析

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圖2 活塞模具分體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3 終鍛成形前模擬圖

圖4 模具米塞斯應(yīng)力

圖5 模具第一主應(yīng)力

對于商用車活塞鍛件模具，型腔很深，國內(nèi)多采用電極和數(shù)控加工相結(jié)合的方式進(jìn)行制造，有較高的模具制造成本和較長的加工周期，我們采用多種方案進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)不符合實(shí)際條件，因此采用有限元模擬軟件Forge 對模具應(yīng)力進(jìn)行分析，將鍛造過程中模具受力的情況通過計(jì)算機(jī)模擬呈現(xiàn)出來，幫助技術(shù)人員運(yùn)用分析數(shù)據(jù)進(jìn)行模具設(shè)計(jì)的優(yōu)化，節(jié)約了試模的成本，縮短了模具改進(jìn)的周期。

有限元分析

對于形狀復(fù)雜、成形困難的活塞而言，在模具應(yīng)力模擬中，是先將鍛件視為塑性變形體，將模具視為剛性體；成形之后，將模具視為彈性體，鍛件被移除，鍛件上的載荷力被映射到模具上。

利用Forge 仿真軟件對整體結(jié)構(gòu)和分體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模具應(yīng)力的分析，圖3 為終鍛成形之前的模擬截圖。預(yù)鍛之后，坯料放入到終鍛型腔中，整體模具和分體模具同步進(jìn)行，選用相同的預(yù)鍛工步件，模擬數(shù)值設(shè)置相同。

圖4 是模擬的模具米塞斯應(yīng)力，圖4(a)為采用整體結(jié)構(gòu)時(shí)終鍛模具的米塞斯應(yīng)力云圖，圖4(b)為分體結(jié)構(gòu)時(shí)終鍛模具外套的米塞斯應(yīng)力云圖，將云圖的應(yīng)力范圍統(tǒng)一更改成0 ～3000MPa，從兩幅云圖可以看出，整體結(jié)構(gòu)邊緣圓角處的等效應(yīng)力值大多分布在2200 ～3400MPa，局部應(yīng)力可達(dá)3000 ～3400MPa。而分體結(jié)構(gòu)邊緣圓角處的等效應(yīng)力值大多分布在600～1400MPa，局部應(yīng)力可達(dá)1200 ～1400MPa。對 比 兩 種結(jié)構(gòu)相同位置的等效應(yīng)力，分體模具圓角根部米塞斯應(yīng)力降低60%～70%，效果非常明顯。

本文再次對第一主應(yīng)力進(jìn)行分析比較，如圖4 所示，整體結(jié)構(gòu)整個(gè)圓角根部都受拉應(yīng)力，相當(dāng)于單向拉伸狀態(tài)，且應(yīng)力值范圍是2500 ～3300MPa，超過抗拉強(qiáng)度，存在開裂風(fēng)險(xiǎn)，可能在單次載荷下就會(huì)開裂。對于分體結(jié)構(gòu)，裙部圓角根部第一主應(yīng)力絕對值遠(yuǎn)大于第二、第三主應(yīng)力，該處受拉應(yīng)力，相當(dāng)于單向拉伸狀態(tài)，且應(yīng)力值范圍是600 ～1100MPa，應(yīng)力值未超過抗拉強(qiáng)度，在多次循環(huán)載荷下會(huì)出現(xiàn)疲勞，產(chǎn)生微小裂紋，存在開裂風(fēng)險(xiǎn)，但不會(huì)在單次載荷下開裂；凸臺(tái)處圓角根部第三主應(yīng)力絕對值遠(yuǎn)大于第一、第二主應(yīng)力，該處受壓應(yīng)力，相當(dāng)于單向壓縮狀態(tài)，無開裂風(fēng)險(xiǎn)。綜合來看分體結(jié)構(gòu)明顯優(yōu)于整體結(jié)構(gòu)，應(yīng)力降低效果明顯。

實(shí)際驗(yàn)證

根據(jù)Forge 軟件分析結(jié)果，我們選取了最優(yōu)的分體結(jié)構(gòu)進(jìn)行多次生產(chǎn)驗(yàn)證，生產(chǎn)時(shí)的設(shè)備狀態(tài)、加熱溫度等參數(shù)都與使用整體結(jié)構(gòu)生產(chǎn)時(shí)保持一致，確保無其他因素干擾模具壽命。驗(yàn)證結(jié)果如圖6 所示，圖6(a)為使用分體結(jié)構(gòu)的終鍛模具狀態(tài)，模具平均壽命能達(dá)到2200 件，圖6(b)為使用整體結(jié)構(gòu)的模具狀態(tài)，終鍛模具平均壽命為500 件左右時(shí)開裂，從兩幅圖對比可以看出，分體結(jié)構(gòu)的模具狀態(tài)明顯比整體結(jié)構(gòu)的模具狀態(tài)好，達(dá)到2300 件左右時(shí)也沒有開裂，僅僅是正常的疲勞磨損，模具壽命提升了4.6 倍。

結(jié)束語

綜上所述，利用Forge 軟件進(jìn)行模具應(yīng)力分析和多批次實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

⑴分體設(shè)計(jì)后的活塞終鍛模具平均壽命由500件提升到2300 件，提升了4.6 倍的模具壽命，不用頻繁換模，鍛件一致性好，模具成本大幅度降低。

⑵通過有限元軟件Forge 可以指導(dǎo)活塞模具的設(shè)計(jì)和持續(xù)改進(jìn)，縮短試驗(yàn)周期。

圖6 實(shí)際模具壽命