鍛造模具關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究探討

文/孫偉·江蘇龍城精鍛有限公司

鍛造模具的作用是保證原材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形，進(jìn)而獲得特定形狀和尺寸的零件。隨著鍛造技術(shù)在汽車、鐵路、航空航天等工業(yè)領(lǐng)域越來越廣泛的應(yīng)用，各種新型結(jié)構(gòu)及高質(zhì)量要求的鍛件不斷涌現(xiàn)，對于鍛造模具的需求不斷增加，鍛造模具的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)水平成為鍛造企業(yè)的核心競爭力，眾多鍛造企業(yè)在鍛造模具的技術(shù)研究和開發(fā)方面投入了大量的資源，以便未來在該技術(shù)領(lǐng)域占有一席之地。

發(fā)展方向和研究現(xiàn)狀

鍛造模具技術(shù)的主要發(fā)展方向是提高模具設(shè)計(jì)水平，采用新型模具材料，使用高效高精度的加工手段，以期在模具高壽命的狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)鍛件的高精度。鍛造模具的關(guān)鍵技術(shù)主要圍繞模具的設(shè)計(jì)、制造、使用、修復(fù)和翻新等環(huán)節(jié)，具體包括鍛造模具高可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)，高效高精制造技術(shù)，延壽、修復(fù)及再制造技術(shù)等。

在鍛造模具設(shè)計(jì)與制造方面，目前國內(nèi)絕大部分鍛造模具設(shè)計(jì)和制造企業(yè)都已廣泛應(yīng)用CAD/CAM技術(shù)，但CAD/CAM/CAE一體化技術(shù)應(yīng)用的還比較少，鍛造模具信息化技術(shù)更是鮮有應(yīng)用。在鍛造模具延壽、快修及再制造技術(shù)方面，對于模具的表面處理和熱處理重視不夠，也缺乏針對不同工藝條件下的模具潤滑狀況研究，模具平均壽命較低，鍛造模具快速修復(fù)及再制造技術(shù)也剛剛起步。在模具使用方面國外企業(yè)普遍采用快速換模裝置，而國內(nèi)企業(yè)應(yīng)用該工藝的較少。

關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究案例

基于NX平臺二次開發(fā)的鍛模設(shè)計(jì)

鍛模的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜而具有挑戰(zhàn)性的工作，傳統(tǒng)的鍛模設(shè)計(jì)需要依靠經(jīng)驗(yàn)豐富的模具工程師才能完成，而且還需要經(jīng)過工藝調(diào)試，反復(fù)試錯(cuò)后才能確定相對經(jīng)濟(jì)合理的模具結(jié)構(gòu)，不同的模具工程師由于經(jīng)驗(yàn)和對于模具的理解不同，導(dǎo)致模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)缺乏標(biāo)準(zhǔn)的流程，模具設(shè)計(jì)和制造的出錯(cuò)率較高，大多數(shù)模具需要多次試模和修改才能滿足鍛造工藝的要求。

為了提高企業(yè)主要產(chǎn)品模具設(shè)計(jì)的可靠性，我們以主營產(chǎn)品汽車發(fā)電機(jī)爪極為例，開展了基于NX平臺二次開發(fā)的爪極模具模塊化設(shè)計(jì)工作，具體工作如下：

⑴根據(jù)公司爪極鍛件的模具設(shè)計(jì)需求，確定相應(yīng)需要二次開發(fā)的模塊，見表1。

⑵根據(jù)所需二次開發(fā)的模塊將公司目前爪極鍛件的規(guī)格及不同規(guī)格爪極鍛件的建模參數(shù)和步驟進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，以便于編程。圖1將爪極鍛件的結(jié)構(gòu)特征分成了4部分，按照爪部、底部、磁軛、微結(jié)構(gòu)的先后步驟依次設(shè)計(jì)。數(shù)字1區(qū)域是爪部：沿著圓周均布的復(fù)雜尖爪，數(shù)量為6～8個(gè)；數(shù)字2區(qū)域是底部：支撐尖爪的規(guī)則平臺；數(shù)字3區(qū)域是磁軛：帶一定斜度的規(guī)則圓柱體；數(shù)字4區(qū)域是中孔和槽等微結(jié)構(gòu)特征。

表1 爪極鍛造模具設(shè)計(jì)模塊

圖1 爪極鍛件的不同結(jié)構(gòu)部分示例

根據(jù)上述不同區(qū)域、不同結(jié)構(gòu)尺寸約束參數(shù)的不同，將爪極鍛件進(jìn)行分類，并將每一種結(jié)構(gòu)的具體約束方式標(biāo)準(zhǔn)化。例如，磁軛區(qū)域有三種結(jié)構(gòu)，一段約束、二段約束和三段約束，以二段約束結(jié)構(gòu)為例，其關(guān)鍵參數(shù)包括：磁軛高度（14.6mm），磁軛5.15mm處直徑59.45mm，磁軛直邊長度4mm，磁軛下端傾角1°，磁軛上端傾角3°，其完全約束后草圖如圖2所示。

圖2 磁軛二段約束結(jié)構(gòu)草圖

⑶我公司結(jié)合自身生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)、模具設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及設(shè)計(jì)人員多年的最佳實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)整理出的一套設(shè)計(jì)規(guī)范，通過應(yīng)用NX的主模型和WAVE鏈接技術(shù)進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品裝配的各組件的關(guān)聯(lián)建模，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的快速變更和快速自動(dòng)更新，極大地減少了設(shè)計(jì)人員的重復(fù)設(shè)計(jì)，縮短了設(shè)計(jì)周期。不同模塊的聯(lián)接關(guān)系如圖3所示，鍛模設(shè)計(jì)模塊中的精鍛模具自動(dòng)分模功能如圖4所示。

兩種延長鍛造模具使用壽命的工藝方法

在不大幅度增加模具制造成本的情況下，顯著提高模具使用壽命一直是鍛造企業(yè)不斷努力的目標(biāo)，本企業(yè)結(jié)合模具的實(shí)際制造工藝對模具延壽的方法進(jìn)行了探索，并申請了相關(guān)發(fā)明專利。

⑴一種通過預(yù)制裂紋提高模具壽命的工藝方法。

現(xiàn)在技術(shù)人員的一般思維就是，通過設(shè)計(jì)和加工方法延緩裂紋的萌生和擴(kuò)展，例如通過表面處理如鍍硬鉻、氮化和涂層等方法提高表面硬度，延緩裂紋產(chǎn)生的時(shí)間并降低裂紋擴(kuò)展速度，以達(dá)到提高模具壽命的效果。

圖3 不同設(shè)計(jì)模塊的聯(lián)接關(guān)系

圖4 精鍛模具自動(dòng)分模功能示意圖

對于采用模套和模芯結(jié)構(gòu)的模具，裂紋的受力分析和模具壽命的預(yù)測也是以裂紋位于工作面為前提，計(jì)算斷裂應(yīng)力和裂紋尺寸的關(guān)系，預(yù)測模具壽命，避免在模具上產(chǎn)生裂紋，沒有考慮到當(dāng)裂紋位于非工作面時(shí)，具有吸收能量的作用，因此，無法通過預(yù)制裂紋來延長模具的壽命。

針對這個(gè)問題，我公司開發(fā)出了一種通過預(yù)制裂紋，提高模具壽命的工藝方法，通過裂紋吸收模芯內(nèi)表面承受的應(yīng)力，減小模芯內(nèi)表面承受力，避免模芯內(nèi)表面出現(xiàn)裂紋，通過模套過盈配合套在模芯外表面對模芯進(jìn)行保護(hù)，防止模芯外表面受力變形，進(jìn)而防止預(yù)設(shè)裂紋擴(kuò)展，延長了模具的使用壽命，加工裂紋方便，且成本低。其具體流程及其模具結(jié)構(gòu)如圖5所示，圖中數(shù)字1對應(yīng)模套，數(shù)字2對應(yīng)模芯，數(shù)字3對應(yīng)裂紋。

圖5 工藝流程及模具結(jié)構(gòu)圖

⑵一種模具圓角氮化工藝方法。

模具氮化處理，可顯著提高模具表面的硬度、耐磨性、抗咬合性、抗腐蝕性能和抗疲勞性能，提高模具的使用壽命。模具在使用過程中會受到模具加工殘余應(yīng)力、熱應(yīng)力以及機(jī)械應(yīng)力的綜合作用，其中，機(jī)械應(yīng)力占主要作用。氮化處理可使模具表面產(chǎn)生約400～600MPa的殘余壓應(yīng)力，減小模具所受的疲勞載荷，提高模具壽命。以往的氮化工藝都是對模具型腔進(jìn)行整體氮化，由于模具的失效形式以圓角等應(yīng)力集中部位開裂為主。整體氮化處理使圓角和其附近區(qū)域氮化后獲得基本相當(dāng)?shù)臍堄鄩簯?yīng)力，模具使用過程中受到的最大應(yīng)力的合力仍然在圓角等應(yīng)力集中區(qū)域，微裂紋在圓角處擴(kuò)展成為宏觀裂紋造成模具報(bào)廢。

為了解決上述問題，我們提出了一種模具圓角氮化工藝，其具體步驟為：①熱處理，對模具進(jìn)行淬火、回火處理；②拋光，對模具進(jìn)行拋光；③清洗除油，去除模具表面的油污；④干燥，對清洗后的模具進(jìn)行干燥；⑤防氮化處理，模具的圓角附近3～6mm處涂防氮化涂料并干燥；⑥裝爐，將模具裝設(shè)在工裝上置入氮化爐；⑦氮化處理；⑧出爐。

圖6 龍城精鍛快速換模流程

該工藝方法氮化處理之前，在距離模具圓角3～6mm處涂防氮化涂料并在該區(qū)域放置海綿鈦，在氮化處理過程中，圓角進(jìn)行氮化而距離圓角3～6mm區(qū)域不氮化，利用氮化表面獲得壓應(yīng)力的原理，改善圓角附近區(qū)域的應(yīng)力集中狀況，將引發(fā)模具失效的裂紋源從圓角向附近區(qū)域進(jìn)行轉(zhuǎn)移，同時(shí)利用海綿鈦對氫的強(qiáng)烈吸附作用，促進(jìn)NH3分解和N原子吸收，降低模具圓角氮化的硬化層梯度，提高模具的使用壽命，產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，具有節(jié)能增效的優(yōu)點(diǎn)。氮化處理可使模具表面產(chǎn)生約400～600MPa的殘余壓應(yīng)力，可顯著提高模具表面的硬度、耐磨性、抗咬合性、抗腐蝕性能和抗疲勞性能，提高模具壽命。該方法簡便易行，只改變氮化預(yù)處理工序，便于工業(yè)化推廣；應(yīng)力集中得到明顯改善，效果顯著。

多工位自動(dòng)化鍛造快速換模

鍛模在使用之前，需要將其安裝至鍛造壓力機(jī)上，所以，模具更換時(shí)間的長短也就成了影響壓力機(jī)生產(chǎn)效率的主要因素之一。對于傳統(tǒng)的多工位鍛造模具更換，大多數(shù)是將每道工序的模具采用人工安裝，換模平均時(shí)間為1小時(shí)左右。對于多工位自動(dòng)鍛造而言，更換模具時(shí)間的長短隨著模具的尺寸、重量及復(fù)雜程度的不同而相差懸殊，如果還采用原先的換模方式，其停機(jī)時(shí)間有時(shí)甚至超過經(jīng)濟(jì)批量的加工時(shí)間。

為了提高壓力機(jī)的生產(chǎn)效率，同時(shí)減輕操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，我公司在新建的爪極自動(dòng)化熱鍛生產(chǎn)線中采用了快速換模（Single Minute Exchange of Die，SMED）的方法，其換模流程如圖6所示。

通過采用標(biāo)準(zhǔn)化的子模架，使模具具有良好互換性，把換模時(shí)間壓縮到10分鐘，可以提高班組效率20%。

結(jié)束語

本文簡要闡述了筆者對于當(dāng)前國內(nèi)外鍛造模具技術(shù)的發(fā)展方向和研究現(xiàn)狀的認(rèn)識，并結(jié)合本企業(yè)在鍛造模具設(shè)計(jì)、制造、使用和維護(hù)等方面的一些具體案例對鍛造模具的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究進(jìn)行了探討，希望能夠給予相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員啟發(fā)和借鑒，共同促進(jìn)鍛造模具技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)步和發(fā)展。