爪极预锻上模组合模芯优化设计.pdf

第41卷第12期Vol． 41 No． 12FORGING 2.西安建筑科技大学冶金工程学院,陕西西安710055)摘要:为了解决爪极预锻上模模芯易在凸台圆角和爪齿型腔外侧圆角处开裂的问题,设计了爪极预锻上模组合模芯。采用Deform -3D数值模拟软件对爪极预锻上模整体模芯和组合模芯进行了模拟分析,并通过正交试验对组合模芯的结构参数进行了优化。分析结果表明:爪极预锻上模组合模芯具有更好的成形性能和较低的模具应力,组合模芯优化后的结构参数为:凸台模芯直径Ф43 mm、凸台模芯斜度0°、凸台模芯过盈量0． 3 mm、模套过盈量0． 6 mm、凸台模芯高度47 mm。预锻成形试验表明, 3层组合模具可以有效避免预锻上模的开裂缺陷。关键词:预锻;爪极;组合模芯;整体模芯;开裂;正交试验; Deform-3DDOI: 10． 13330/j． issn． 1000-3940． 2016． 12． 021中图分类号: TG316 文献标识码: A 文章编号: 1000-3940 (2016) 12-0122-05Optimization design on pre-forging composited die core for claw poleSun Yue1, Zhuang Xiaowei1, Sun Hao1, Yang Cheng2(1. Longcheng Precision Forging Co. , Ltd. , Changzhou 213164, China; 2. School of Metallurgical Engineering, Xi′an University ofArchitecture and Technology, Xi’an 710055, China)Abstract: In order to solve the problem of crack occurring in the middle boss fillet and claw cavity flllet of claw pole pre-forging die, apre-forging composited die core was designed. The forging integral die core and composited die core of pre-forging for claw pole were nu-merically simulated by Deform-3D, and the structure parameters of the composited die core were optimized by the orthogonal experiment.The results show that the claw pole pre-forging composited die core is of better formability performance and lower die stress. The optimalstructure parameters of composited die core are acquired with the convex core diameter 43 mm, the convex core angle 0°, the convex coreinterference fit 0． 3 mm, die set interference fit 0． 6 mm, and convex core height 47 mm. The pre-forging tests show that the crack of pre-forging die can be avoided by three-layer composited die core.Key words: pre-forging; claw pole; composited die core; integral die core; crack; orthogonal experiment; Deform-3D收稿日期: 2016 -05 -10;修订日期: 2016 -08 -10作者简介:孙 跃(1980 - ),男,学士,高级工程师E-mail: sunyue@ longchengforging． com爪极是汽车发电机的重要组成部分,其质量的好坏直接影响发电机的寿命。爪极零件形状复杂,尺寸精度要求高、成形难度大、模具寿命低,如何改善模具结构和提高模具寿命是企业亟需解决的问题。近年来,众多学者对爪极模具寿命以及锻造组合模具做了大量的研究。原国森等[1]提出了闭式热模锻分流正挤压,可以降低爪极的成形载荷,减少生产工序并提高模具寿命。田辉等[2]提出加深预锻型槽爪尖处以及在终锻型槽爪尖处增设溢流孔等模具结构改进措施,使开裂部位的应力下降44． 2%。夏巨谌等[3]提出轴类件多工位冷精锻组合模具,来提高材料利用率和模具寿命。王晓宇等[4]提出凸缘叉锻造成形预应力组合模具,降低原始模具开裂位置应力,用以提高模具寿命。潘隽[5]提出采用组合凹模的形式来提高锥齿轮冷精锻模具使用寿命[5]。本文针对爪极预锻上模凸台圆角处和爪齿型腔外侧圆角处的开裂问题,设计了爪极预锻上模组合模芯,通过Deform -3D进行了模拟分析,获得了爪极预锻上模组合模芯结构。并采用正交试验,以凸台模芯直径、斜度、组合模芯过盈量、模套过盈量以及凸台模芯高度为试验因素,得到了优化后的爪极预锻上模组合模芯结构参数。其中爪极零件如图1所示。1 爪极预锻上模组合模芯设计1． 1 整体凹模应力分析爪极精锻工艺为:下料—加热—镦粗—预锻—终锻—切边等。模具采用H13热作模具钢,该材料万方数据图1 爪极零件结构Fig． 1 Structure of claw pole part具有高淬透性、高强度、高硬度以及良好的抗热疲劳性。由于爪极预锻变形量大,坯料充满模腔所需的载荷大,导致预锻上模易在凸台圆角处和爪齿型腔外侧圆角处发生开裂,如图2所示。图2 预锻上模开裂图Fig． 2 Cracks of pre-forging die采用Deform -3D对爪极预锻成形进行分析,得到预锻上模所受载荷和应力分布,如图3所示。爪极成形载荷为675 ×12 =8100 kN,爪齿型腔外侧圆角处最大主应力为1600 MPa左右,凸台圆角处最大主应力为1000 MPa左右,这两处为模具最大的应力集中区,故模具易在此开裂。该分析结果与实际生产的结果一致。1． 2 组合模芯设计为了解决预锻上模模芯开裂的问题,设计了2种预锻上模组合模芯结构,如图4所示。第1种为凸台组合模芯模具,简称3层组合模具。在凸台圆角相切位置径向偏置1． 0 mm,把模芯分成了凸台模芯和型腔模芯2个部分,以一定的斜度和过盈量进行配合,按照预留高度采用冷压法进行安装。组合后的模芯与模套之间采用过盈配合和用热套工艺进行安装。第2种为凸台爪内外侧组合模芯模具,简称4层组合模具。以凸台圆角相切处和爪齿型腔外侧圆角处把模芯分成了凸台模芯、爪内侧模芯和爪外侧模芯3个部分,在爪外圆圆角处根据爪子斜度,以一定的过盈量进行配合,同样按照预留高度采用图3 预锻上模载荷和应力分析结果(a)成形载荷 (b)模具应力Fig． 3 Analysis results of forming load and stress for pre-forging die(a) Forming load (b) Die stress冷压法进行安装。组合后的模芯与模套之间同样采用过盈配合和热套工艺进行安装。2 组合模芯的数值模拟2． 1 有限元模型的建立由于爪极为轴对称零件,为减少计算时间、提高计算精度,取1/12爪极的成形为研究对象,在De-from-3D软件中建立分析模型。毛坯材料为08钢,模具材料为H13。整个模拟过程为:毛坯的镦粗—预锻成形过程模拟—预锻组合模芯模具的应力模拟。2． 2 成形分析图5为不同结构形式的组合模芯的成形载荷分析结果。可以看出: 3层组合模具成形的爪极具有较好的质量,成形载荷为114 ×12 =1368 kN; 4层组合模具成形的爪极在爪子中间产生折叠,成形载荷为137 ×12 = 1644 kN。与原来整体模芯相比, 2种组合模芯的成形载荷都大幅降低。 3层组合模芯和整体模芯具有良好的成形性能, 4层组合模芯在爪极预锻成形时会产生折叠,对爪极质量有一定的影响。321第12期孙 跃等:爪极预锻上模组合模芯优化设计 万方数据图4 组合模具结构图(a) 3层组合模具 (b) 4层组合模具Fig． 4 Structure of compound die(a) Compound die of three layers (b) Compound die of four layers图5 组合模具成形载荷图(a) 3层组合模具 (b) 4层组合模具Fig． 5 Forming loads of compound die(a) Compound die of three layers (b) Combined die of four layers2． 3 模具应力分析图6为不同形式组合模芯应力分析结果。 3层组合模具爪齿型腔外侧圆角处最大主应力为1100 MPa左右,凸台圆角处最大主应力为200 MPa左右,与整体模芯相比,这2个部位的最大主应力都得到了较大幅度的降低。 4层组合模芯在爪齿型腔顶部最大主应力为3000 MPa,爪齿型腔外侧圆角处最大主应力1400 MPa左右,凸台圆角处最大主应力为100 MPa左右,虽然4层组合模芯在爪齿型腔外侧圆角处和凸台圆角处的应力有了较大幅度的降低,但爪齿型腔顶部最大主应力超过模具材料强度,模具易在该处失效。图6 组合模具应力图(a) 3层组合模具 (b) 4层组合模具Fig． 6 Stresses of compound die(a) Compound die of three layers (b) Compound die of four layers通过以上分析发现:采用组合模芯增加预应力来改善模具径向应力取得很好的效果,且爪极预锻上模采用3层组合模芯时改善效果更好。故本文采用3层组合模芯做进一步的分析。3 3层组合模芯结构优化由于爪极预锻上模组合模芯结构的复杂性,难421锻 压 技 术 第41卷万方数据以通过经验公式建立起来的力学模型对模具结构参数进行优化。为此,本文采用正交试验法来对模具的结构参数进行优化。3． 1 正交优化模型的建立正交试验设计是利用正交表来安排与分析多因素试验的一种设计方法。它是由试验因素的全部水平组合中,挑选部分有代表性的水平组合进行试验,通过对这部分试验结果的分析了解全面试验的情况,找出最优的水平组合。建立正交试验表需要确定3个值:指标、因素、水平。有限元模型中,单点应力具有很大的随机性,特别是存在接触的位置,几何的急剧过渡处如尖角、小的圆角等,其数值会随着每次模型网络的不同而变化。为了降低网格划分带来的计算误差,需要在读取组合凹模最大周向应力时,采取一定措施来得到真实的周向应力峰值[5]。本研究采用的方法为:在组合模芯爪外侧圆角和凸台圆角处平均分布10个点,求平均值得到可信的应力峰值。综合考虑实际情况,取以下模具结构参数作为正交优化试验的因素水平如表1所示。表1 模具结构参数表Table 1 Structure parameters of die试验水平试验因素凸台模芯直径A/mm凸台模芯斜度B/(°)凸台模芯过盈量C/ mm热套组合过盈量D/ mm凸台模芯高度E/mm1 Φ42 0 0． 2 0． 2 472 Φ43 1． 5 0． 3 0． 4 523 Φ44 3 0． 4 0． 6 573． 2 多目标正交试验结果处理对于五因素三水平,不考虑各因素之间的交互作用,选用L18 (35)正交表安排试验如表2所示。采用Deform -3D软件进行模拟分析,所得试验结果也列于表2中。在实际生产和科学试验中,试验结果不是单一目标能全面评判,所以多目标的试验设计显得尤为有意义。由于在多目标试验中,不同目标的重要程度往往也不一致,各因素对不同目标的影响程度也不完全相同,所以多目标试验的结果分析比较复杂一些。常用的解决多目标正交试验的分析方法有综合平衡法和综合评分法。本文引进加权综合评分法来解决多目标正交试验问题。首先对各试验各项目标的数值进行比较评分。根据模具应力指标都是越小越好,所以均值取最小值为100分,最大值为0分,计算出各目标的分数值。两个目标为模具两处的模具应力,根据实际模具失效数量比例,爪外侧圆角处的权因子系数和凸台圆角处权因子系数都取0． 5,计算出综合加权值Y∗如表2所示。表2 正交试验及结果Table 2 Orthogonal experiment and results试验序号试验因素试验结果综合目标A B C D E爪外圆圆角应力σ1 /MPa凸台上圆角应力σ2 /MPa综合加权/Y∗1 1 1 1 1 1 1310 200． 6 30． 242 1 2 2 2 2 1180 183． 9 44． 573 1 3 3 3 3 954． 5 152． 3 69． 764 2 1 1 2 2 1291 203． 2 31． 695 2 2 2 3 3 1286 439． 3 2． 266 2 3 3 1 1 1094． 4 121． 59 60． 517 3 1 2 1 3 858． 6 298． 6 60． 248 3 2 3 2 1 1117． 5 253． 9 41． 579 3 3 1 3 2 1152． 4 14． 569 68． 6110 1 1 3 3 2 1049． 5 228． 3 51． 2111 1 2 1 1 3 1420 110． 5 31． 3112 1 3 2 2 1 1237 130． 14 46． 0213 2 1 2 3 1 777． 9 69． 01 96． 9114 2 2 3 1 2 1241 265． 8 28． 4615 2 3 1 2 3 1138． 1 44． 59 66． 1516 3 1 3 2 3 918． 8 256． 3 59． 9417 3 2 1 3 1 1029． 6 55． 293 74． 9918 3 3 2 1 2 1140． 2 108． 8 57． 82K1 45．52 55．04 50．50 44．76 58．37K2 47．66 37．19 51．30 48．33 47．06K3 60．53 61．48 51．91 60．62 48．28各因素在各水平对应的质量指标均值R 15．01 24．28 1．41 15．86 11．31极值3． 3 正交试验结果分析从表2中的试验结果来看,第13次的综合指标最好,参数组合为A2B1C2D3E1。比较各因素在各水平对应的综合目标均值,最大的分别为R13, R23,R33, R43和R51,其参数组合为A3B3C3D3E1。由于A3B3C3D3E1没有出现在正交表中,将此参数再做一组模拟并与A2B1C2D3E1进行比较,对比结果如表3所示。表3 模拟结果对比Table 3 Comparison of simulation results参数组合A/mm B/(°) C/mm D/mm E/mmσ1 /MPaσ2 /MPa Y∗A2B1C2D3E1 43 0 0． 3 0． 6 47 777． 9 69． 01 96． 91A3B3C3D3E1 44 3 0． 4 0． 6 47 1055． 1 133 62． 75521第12期孙 跃等:爪极预锻上模组合模芯优化设计 万方数据根据表2中各因素的水平均值大小,绘制各试验因素与综合指标的影响趋势图,如图7所示。各因素的极差数据排序时RB > RD > RA > RE > RC,由此可确定各因素对爪外圆和凸台圆角处的影响主次顺序为凸台模芯斜度、热套组合过盈量、凸台模芯直径、凸台模芯高度、凸台模芯过盈量。图7 试验因素与综合指标的影响趋势图Fig． 7 Impact of experimental factors on comprehensive targetquality index4 成形试验根据模拟分析结果,在爪极预锻上模容易开裂的部位采用两个分模面将模具分割成凸台模芯、型腔模芯和模套3个部分,分别加工后压配成如图8所示的预锻上模,量产后的预锻件如图9所示,模具再没有出现整体式结构的开裂失效形式,验证了3层组合式模具结构的有效性。图8 组合模具Fig． 8 Compound die5 结论(1)爪极预锻时坯料变形量大,上模模芯承受较大的载荷,易在凸台圆角处和爪齿型腔外侧圆角处应力最大的地方开裂。图9 爪极预锻件Fig． 9 Pre-forging of claw pole(2)预锻3层组合模具有较好的成形性能,模具应力小。(3)基于Deform-3D和正交试验,从降低爪极预锻上模模芯应力出发,对3层组合模芯的结构参数进行了优化设计,获得了优化后的模芯结构参数:凸台模芯直径Ф43 mm、凸台模芯斜度0°、凸台模芯过盈量0． 6 mm、模套组合过盈量0． 6 mm、凸台模芯高度47 mm。其中,凸台模芯斜度的对应力影响最大而凸台模芯过盈量对应力的影响最小。(4) 3层组合式模具有效解决了预锻上模在凸台圆角处和爪齿型腔外侧圆角处开裂的问题。参考文献:[1] 原国森,辛选荣,刘汀,等.汽车发电机爪极精密成形新工艺[J].锻压技术, 2009, 34 (2): 10 -12.Yuan G S, Xin X R, Liu T, et al. 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