文/劉永康·江蘇威鷹機械有限公司

伴隨著汽車零件鍛造產(chǎn)業(yè)的深度轉移、汽車工業(yè)對零件性能需求不斷提高、國內新型高端裝備制造業(yè)的發(fā)展等諸多因素，導致了越來越多的汽車零件向著高精度、高質量、輕量化、高強度、高材料利用率的設計方向進發(fā)。我司經(jīng)過十余年的技術積累和各大科研院所及高校深入的研發(fā)合作，在鍛造技術工藝、鍛造裝備的升級改造投入，在鍛造能力上取得了一些進步，從而使得我司能夠打破部分產(chǎn)品的國外供應商的生產(chǎn)壟斷，逐步實現(xiàn)了國產(chǎn)化，樹立了全面進入跨國公司的全球采購體系的目標。

裝備和產(chǎn)品工藝升級

從2016 年開始，我司逐步進入汽車變速器行業(yè)，但是早在2012 年，我們就逐步開展了現(xiàn)有設備改造及技術升級，其中包括單機設備聯(lián)線、模架升級設計、輔助設備升級改造、智能機構輔助生產(chǎn)等。在新型設備采購方面，我們參與設計設備參數(shù)，提出涉及生產(chǎn)過程的接口需求，分享使用經(jīng)驗用以達到反向優(yōu)化新設備的目的。在進行設備改造、升級、引入的同時，我們不斷檢討鍛造工藝，讓我們能夠滿足客戶不斷提高的要求。

通過多年的積累，使得我司具有了冷、溫、熱及溫-冷復合鍛造、熱-冷復合鍛造的技術能力、裝備能力。

其他技術問題

無論是引進還是改造設備，與其配套的工藝方法都要求有較高的匹配度。在編排工藝之初，需要對設備進行深入的了解，然后根據(jù)設備情況進行設計，但是在產(chǎn)品工藝模具設計過程中，通用模具件的設計往往被忽略，下面就我司新采購的大噸位、多工位的熱模鍛設備中使用的壓力塊進行分析優(yōu)化，以期解決壓力塊在使用過程中的開裂、變形等問題。

目前我們正在生產(chǎn)的CVT 無級自動變速器中使用的核心零件—帶輪軸，最大鍛造噸位達到了2300噸，這對模具的強度、壽命提出了較大的挑戰(zhàn)，除此以外，與模具相配合的壓力塊也受到了較大的影響。前期我們在解決模具使用問題中，付出了大量的努力，通過更換模具材料、優(yōu)化模具熱處理工藝、增加模具表面PVD 涂層、模具C-S-N 共滲等措施，提高了模具使用壽命，但是經(jīng)過生產(chǎn)驗證，設備的開動率還是不高，調查后發(fā)現(xiàn)原因在于壓力塊破損(圖1)，需要頻繁更換，并且更換壓力塊不同于更換模具，需要拆除更多的模具輔助件才能完成。因此，壓力塊優(yōu)化設計顯得尤為重要。

圖1 破損的壓力塊

通過FEA 分析指導優(yōu)化改進

現(xiàn)有設計的有限元分析

使用有限元法分析鍛造成形力，已經(jīng)是大多數(shù)鍛造公司技術部工藝工程師的必備技能，但是如果要做到分析結果與實際生產(chǎn)結果相符合(誤差在5%以內)需要對很多參數(shù)進行標定對標，甚至需要重新構建原材料的本構模型。本次需要解決的問題涉及到的產(chǎn)品材料也為20CrMoH，經(jīng)過設置運算后，得到的鍛造噸位為1870 噸，如圖2 所示。

圖2 壓力塊有限元分析

分析得到成形噸位后，可繼續(xù)使用成形分析軟件進行模塊的受力分析，但得到的結果只能是各個節(jié)點的受力大小，至于模塊的使用壽命并不能直接的表達出來。因此，我們使用結構分析軟件進行壓力塊的受力分析。模具系統(tǒng)結構較為復雜，壓力塊在與模具接觸外還與其他配件產(chǎn)生配合關系，如模桶、定位圈、填塊等，要做壓力塊的受力分析，就需要理清楚各個零件之間的接觸類型，以及定量數(shù)值。這些要求在成形分析軟件的設置中較為復雜，并且成形軟件分析的成形力通過插補的方式插入節(jié)點中，再由節(jié)點導入模具，通過模具傳導至壓力塊上，所以模具、壓力塊受力表達為成形完成瞬間所受到最大成形力，這和現(xiàn)實生產(chǎn)中的情況有所不同，如圖3、圖4 所示。

圖3 成形軟件分析得到的噸位曲線

圖4 按成形噸位施加的壓力曲線

使用結構分析軟件可以在分析過程中，對壓力塊與所配合的各個構件進行有效、詳細的約束設置，實現(xiàn)模具結構中的各零件在受力情況下的相對運動或者相對變形，并且在施加力的過程中具有更多的可能性，比如按照成形噸位曲線進行施加，這樣更加能夠貼近現(xiàn)實使用情況，不僅能夠得到更加精確的分析結果，而且還能夠直觀的表達出模具的使用壽命，如圖5、圖6 所示。

圖5 壓力塊的受力云圖

圖6 壓力塊的疲勞壽命云圖

戰(zhàn)力指數(shù)：★★★★☆降魔圣典：《溫病條辨》來將通名：寒癥瘟疫御敵神兵：霹靂散上榜理由：建立了完全獨立于傷寒的溫病學說體系，創(chuàng)立了三焦辨證綱領，為溫病創(chuàng)新理論之一

優(yōu)化方案及有限元分析

現(xiàn)有壓力塊在使用過程中產(chǎn)生破損除了會引起模具支撐不足外，還會因為開裂掉落的碎塊導致頂料器卡死的現(xiàn)象發(fā)生。因此壓力塊設計時需要有一定的使用壽命不產(chǎn)生開裂，即使產(chǎn)生了開裂，碎塊也不易掉落。明確了設計目的，我們采取了外圈+內芯的方式設計，外圈采用H13 材料，淬火硬度40HRC，內圈采用Cr12MoV 材料，淬火硬度56HRC，內外圈采用熱壓配的方式，過盈量為1.5mm。這里對預緊力大小的FEA 分析方式稍作解釋：通過熱力分析的方式得到外圈膨脹到裝配前尺寸的溫度，再使用熱力耦合的方式得到外圈溫度降低到室溫時的預緊力。將徑向預緊力、裝配關系、約束方式等設置結束后，進行受力分析，結果如圖7 所示，取中值261MPa 進行后續(xù)分析。

圖7 熱力耦合得到的填塊降至室溫時的預緊力

此時，圖8、圖9 都不是直接的模具壽命反饋，只能做對比分析使用，優(yōu)化前與優(yōu)化后的壽命對比，模具壽命提高3 倍。

結束語

優(yōu)化后的壓力塊如圖10 所示，使用優(yōu)化后的壓力塊進行生產(chǎn)，模具仍有開裂現(xiàn)象存在，但使用壽命達到了18400 次，相對原有壓力塊的使用壽命5700次，相對提高3.2 倍。出現(xiàn)開裂后的壓力塊并沒有完全分離，提高了換模效率，減少了因碎塊導致的卡死清理。

圖8 壓力塊優(yōu)化后的受力云圖

圖9 壓力塊優(yōu)化后的疲勞壽命云圖

圖10 優(yōu)化后的壓力塊