商用车活塞终锻模具分体结构研究

2021-04-10胡鑫帅杨航王建军闫东奇一汽锻造吉林有限公司

锻造与冲压 2021年7期

文／胡鑫帅，杨航，王建军，闫东奇·一汽锻造（吉林）有限公司

随着国家对环保治理力度的加大，对发动机排放标准要求日趋严格，为满足发动机排放标准的要求，锻造钢活塞在发动机活塞主流生产工艺中有广阔的发展前景。但是市场化竞争也日益激烈，如果不能提质降本，将会在活塞市场攻占过程中失去先机。然而我司商用车活塞生产过程中终锻模具平均寿命一直很低，在生产300 件左右沿裙部出现开裂趋势，连续生产后，随着模具慢慢失效，模具最终开裂，模具成本居高不下，频繁换模，班产提升不上去，对公司提质降本，攻占活塞市场造成了很大的阻碍，因此提高活塞终锻模具寿命势在必行。

活塞终锻模具寿命分析

终锻模具开裂原因

商用车活塞结构复杂，不能一次成形，本司商用车活塞生产主要的成形工艺包括镦粗→预锻→终锻三个工步。锻件型腔深，裙部薄，极难成形；深型腔设计在下模，预锻型腔与终锻型腔仿形设计，因此在预锻时锻件便已初步成形，当预锻件放入终锻模具，成形过程中凸台侧和裙部圆角处受力过大，一般在生产500 件活塞后会造成模具沿圆角开裂甚至整块模具破裂，如图1 所示。

终锻模具分体设计

图1 整体模具开裂

目前，终锻整体模具平均寿命为500 件，要想提高终锻模具寿命就得降低终锻模具易开裂部分应力，因此，对模具进行分体设计是一个很好的解决方法。如图2 所示，将复杂且形状不规则的模具分体，分体后的模具由外套和内芯两部分组成。我司活塞模具选择在裙中间分体，这种分体方式便于模具制作，且能够有效的减小应力；接触面采用过盈配合，这样可以避免分体位置钻毛刺。结合面需要设置一定长度的直段，这样可以起到防转的作用。

结果与分析

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图2 活塞模具分体结构设计

图3 终锻成形前模拟图

图4 模具米塞斯应力

图5 模具第一主应力

对于商用车活塞锻件模具，型腔很深，国内多采用电极和数控加工相结合的方式进行制造，有较高的模具制造成本和较长的加工周期，我们采用多种方案进行验证，发现不符合实际条件，因此采用有限元模拟软件Forge 对模具应力进行分析，将锻造过程中模具受力的情况通过计算机模拟呈现出来，帮助技术人员运用分析数据进行模具设计的优化，节约了试模的成本，缩短了模具改进的周期。

有限元分析

对于形状复杂、成形困难的活塞而言，在模具应力模拟中，是先将锻件视为塑性变形体，将模具视为刚性体；成形之后，将模具视为弹性体，锻件被移除，锻件上的载荷力被映射到模具上。

利用Forge 仿真软件对整体结构和分体结构进行了模具应力的分析，图3 为终锻成形之前的模拟截图。预锻之后，坯料放入到终锻型腔中，整体模具和分体模具同步进行，选用相同的预锻工步件，模拟数值设置相同。

图4 是模拟的模具米塞斯应力，图4(a)为采用整体结构时终锻模具的米塞斯应力云图，图4(b)为分体结构时终锻模具外套的米塞斯应力云图，将云图的应力范围统一更改成0 ～3000MPa，从两幅云图可以看出，整体结构边缘圆角处的等效应力值大多分布在2200 ～3400MPa，局部应力可达3000 ～3400MPa。而分体结构边缘圆角处的等效应力值大多分布在600～1400MPa，局部应力可达1200 ～1400MPa。对比两种结构相同位置的等效应力，分体模具圆角根部米塞斯应力降低60%～70%，效果非常明显。

本文再次对第一主应力进行分析比较，如图4 所示，整体结构整个圆角根部都受拉应力，相当于单向拉伸状态，且应力值范围是2500 ～3300MPa，超过抗拉强度，存在开裂风险，可能在单次载荷下就会开裂。对于分体结构，裙部圆角根部第一主应力绝对值远大于第二、第三主应力，该处受拉应力，相当于单向拉伸状态，且应力值范围是600 ～1100MPa，应力值未超过抗拉强度，在多次循环载荷下会出现疲劳，产生微小裂纹，存在开裂风险，但不会在单次载荷下开裂；凸台处圆角根部第三主应力绝对值远大于第一、第二主应力，该处受压应力，相当于单向压缩状态，无开裂风险。综合来看分体结构明显优于整体结构，应力降低效果明显。

实际验证

根据Forge 软件分析结果，我们选取了最优的分体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整体结构生产时保持一致，确保无其他因素干扰模具寿命。验证结果如图6 所示，图6(a)为使用分体结构的终锻模具状态，模具平均寿命能达到2200 件，图6(b)为使用整体结构的模具状态，终锻模具平均寿命为500 件左右时开裂，从两幅图对比可以看出，分体结构的模具状态明显比整体结构的模具状态好，达到2300 件左右时也没有开裂，仅仅是正常的疲劳磨损，模具寿命提升了4.6 倍。