冷锻模具的现状与发展.doc

冷锻模具的现状与发展精密成形工程J0URNAIOFNETSHAPEFORMINGENG1NEERING第3卷第1期2011年1月冷锻模具的现状与发展孔德军,王强,蔡冬梅,陈孔军(济南大学机械工程学院,济南250022)摘要:分析了冷锻件在汽车行业中的应用,介绍了组合预应力模具和缠绕预应力模具的结构以及应用,概述了冷锻模具材料,通过分析国内外冷锻模具设计与制造现状,阐述了冷锻模具的发展趋势.关键词:冷锻;组合预应力模具;缠绕预应力模具;模具设计与制造;模具材料中图分类号:TG315文献标识码:A文章编号:16746457(2010)01004606StatusandDevelopmentoftheColdForgingDieKONGDejun,WANGQiang,CAIDongmei,CHENKong(SchoolofMechanicalEngineering,UniversityofJinan,Jinan250022,China)Abstract:Theapplicationofcoldforgedcomponentsinautomotiveindustryisintroduced.Thestructureandtheapplication.aswellasthediematerialsofcombinationofprestresseddieandwoundprestresseddieareintroducedindetail.Thedevelopmen1trendisconcludedbasedontheanalysisofthepresentsituationofdesignandmanufacturetechnologyathomeandabroad.Keywords:coldforging;combinationofprestresseddie;woundprestresseddie;diedesignandmanufacture;diematerial采用模具生产制件,具有高精度,高复杂性,高一致性,高生产率和低能耗,低耗材的特点,符合现代绿色生产的理念.冷锻模具是模具的重要组成部分,由于是在常温下对金属直接成形,除具有上述优点外,制件的强度和硬度得到显着提高.模具技术已成为衡量一个国家制造水平高低的重要标志.1冷锻件的应用冷锻件的生产对汽车工业的依附性很强,约8o的冷锻件用于汽车工业.不包括螺母,螺栓等冷锻紧固标准件,国外每辆汽车上的冷锻件大体在45kg以上口,汽车冷锻件往往都是汽车上的关键零部件.冷锻件在国内外汽车工业中应用的概略统计见表1.我国作为当今世界汽车制造大国,2009年汽车生产总量达1360万辆,产销量都居世界第一位.若以每辆国产车15kg冷锻件计算,每年仅汽车行业就至少需要冷锻件2.0410t,由此可以看出,冷锻件具有广阔的市场需求.在室温条件下,钢铁材料的变形抗力很大,对模具以及设备提出很高的要求.目前,采用冷锻工艺只能生产形状相对比较简单的零件.某企业所生产的十字轴套以及所用的冷锻模具如图1所示.目前由于技术和材料的原因,能用冷锻生产的收稿日期:2010-0621基金项目:国家自然科学基金资助项目(50875111)作者简介:孔德军(1982),男,山东德州人,硕士研究生,主要从事塑性加工工艺,模具与设备领域内的研究.表1国内外汽车行业冷锻件的应用Table1Theapplicationofcoldforgedcomponentsinautomotiveindustryathomeandabroad精密成形工程2011年1月图11字轴套以及所使用的冷锻模Fig.1Crosssleeveandcoldforgingdie零件有限,但冷锻工艺在零件精度,强度,节材,节能等方面具有传统加T工艺没有的显着优势,尤其在大批量的产品生产中,冷锻件在节约成本方面具有显着的优势,使得冷锻件的应用日益广泛.2冷锻模具的结构在冷锻成形过程中,模具一般要承受着巨大的内压,且温度很高,模具型腔所受到的压力已经超过了模具材料本身的强度极限,模具很容易被破坏,寿命很低,造成很大的成本压力.提高模具寿命一般有2种方法:提高模具材料强度;改进模具结构.材料的强度达到一定程度后很难再提高,一般都从改变模具的结构人手.2.1组合预应力冷锻模具组合预应力冷锻模具采用多层预应力圈,可以为模具提供径向预紧力,以产生切向压应力,lT作时部分抵消模具型腔内产生的切向拉应力,缓解内压力对模具的破环,达到提高模具使用寿命,降低生产成本的目的j.国内外对组合预应力模具的研究比较早,理论研究相对比较成熟,并且大量应用于冷锻件的生产中14.清华大学,合肥丁业大学,吉林工业大学,西安交通大学等高校在这方面做了大量的研究,推导出了组合模具的过盈量,预紧力的分布规律,预应力环个数,尺寸,结构参数等,并且利用有限元软件进行数值模拟,优化设计,有限元分析以指导组合预应力模具的研究,取得了显着的成果.组合预应力模具作为当今最主要的冷锻成形模具,在锻造受力相对不大的简单和对称零件领域具有不可替代的作用.某企业使用组合预应力凹模用来冷锻十字轴套(如图2所示),一般寿命都在1O0图2组合预应力凹模Fig.2Combinationofprestresseddie万件左右,具有很可观的经济效益.2.1.1组合预应力模具的层数合理选择多层组合冷锻凹模各层结构尺寸和邻层间的过盈量是提高其承载能力与疲劳寿命的关键.由于组合凹模强度比整体式凹模强度高,在单位锻压力较大时,不宜采用单层凹模.为了提高凹模的强度,防止模具横向或纵向开裂,应采用过盈配合方式的预应力组合凹模,如何选择层数见表21.经验表明,2层组合凹模强度比整体式凹模提高1.3倍,3层组合凹模提高1.8倍,组合凹模最佳的组合形式是3层,再增加层数强度提高不明显,只会增加制造和装配的难度.表2组合预应力模具层数Table2Thelayerofcombinationofprestresseddie层数单位挤压力/MPa整体式凹模2层3层P1l001100<P14001400%P25002.I.2组合预应力模具的过盈量组合预应力模具设计的关键是确定内外套的过盈量,以及最佳的配合半径.利用非线性有限元计算组合模具接触问题,可以快速得到凹模内壁的应力分布情况.更改有限元计算模型中过盈量的设定,可以得到不同结构组合模具应力分布值,达到优化组合模具结构的目的.由于理论计算和实际情况有差异,因此要对计算值进行适当的修正,使设计更好地符合实际情况.修正时,应综合考虑模具的工作压力,材料的性能以及内外套温升的不同对过盈量的影响.国内外已经有许多学者研究出了预应力组合凹第3卷第1期孔德军等:冷锻模具的现状与发展模过盈量的公式和程序171,见表3,使用简便,实用_l.其中r为模具型腔的半径,r,r.,r分别为预应力圈的第1,第2,第3层的半径,为第1,2层之间的过盈量,.为第2,3层之间的过盈量.表3预应力圈直径与过盈量的关系Table3Therelationbetweenprestressedringdiameterandinterference2.2缠绕式预应力模具组合预应力模具结构是传统的预紧方式,这方面的研究相对较早,要求模具的型腔加工精度高.由于模具材料硬度大,加工比较困难,加工工序多,造成制造周期长,一旦毁坏整个模具就得报废,因此不能重复利用,制造成本高.当模具预应力环的直径和层数达到一定值时,预紧力再提高的空间不大,提供的预紧力有限,这时就不能满足超高压工作条件下模具使用的要求,因此,缠绕预应力结构模具应运而生.这类模具主要是通过高强度薄钢带缠绕在模芯上,为模具提供调节范围更广的径向预紧力,使模具获得更好,更大的预应力分布_l.2.2.1缠绕式预应力模具的优势钢带缠绕预应力模具通过变张力缠绕设备以实现各层之间的预紧力变化,同时还可以实现同层不同位置的预紧力变化以满足具体模具的要求,实现更好的预紧力分布.有数据显示,相同尺寸的缠绕预应力模具和年轮式模具相比,缠绕预应力模具承载能力提高507O9/5,模具的使用寿命延长了61O倍.由于模具型腔变形小,产品精度高,制造时需要专用的缠绕设备和张力控制系统,因此制造方法相对年轮式模具较简单,生产成本低l】.丹麦STRECON公司生产的钢带缠绕预应力模具如图3所示.2.2.2缠绕预应力模具的应用缠绕预应力模具适用于内压力较大,形状复杂,变形程度大并且产品精度要求较高的领域.目前我国缠绕预应力模具技术的研究仅局限于超硬材料合图3钢带缠绕预应力模具Fig.3Stripwoundprestresseddie成领域,钢带缠绕预应力模具的设计与制造仅被丹麦Danfoss,STRECONA/s等少数几家外国公司掌握,STREC0NA/S是国际上钢带缠绕预应力模具最主要的供应商.由于上述技术涉及到商业利益,到目前为止,还没见到他们公布相关的研究成果,尤其在模具制造方面的相关报道,因此,此项技术具有很好的实际研究价值.目前,在国内济南大学已开展钢带缠绕预应力模具的研究,在钢带缠绕预应力模具的设计理论,缠绕层数的确定以及缠绕张力的计算等方面,取得了一定的进展.预应力模具数控钢带缠绕设备及其控制方法获得了国家发明专利,可以实现闭环控制下的变张力自动缠绕和模具缠绕制造过程的自动化,为缠绕预应力模具的制造迈出了坚实的一步.3冷锻模具材料影响冷锻发展的另一个重要因素是模具材料,模具工作的环境决定了制造模具所用的材料必须有足够的强度和韧性,高耐磨性,良好的抗擦伤和咬合性能.冷锻模具表面要求高硬度(60HRC),硬材料的冷锻模具应整体淬硬,以防压塌.在保证不压塌的前提下,为了使模具有足够的韧性,防止开裂,冷锻模具的心部硬度以4050HRC为宜.冷挤压模具常用的模具材料有Cr12MoV,Crl2MolVl,W6MoSCr4V2钢等,内预应力环常采用4Cr5MoVSi,4Cr5MoV1Si钢(4648HRC),外预应力环通常采用4Cr5MoVSi,5CrNiMo钢制造.近几年来我国冷锻模具材料的开发得到了很好精密成形T程的发展,但一些高档的冷锻模具材料仍需进口.研制高性能,长寿命,高的性价比和高效的新型模具材料,取代昂贵的进口钢材,将会带来明显的技术效果和经济效益.4冷锻模具的设计与制造模具的设计与制造是冷锻工艺最核12,的技术,它直接决定了制造出模具的质量和档次,这方面与国外的差距也是我国冷锻水平总体比较低的根本原因.我国已成为模具生产和消费大国,世界模具生产中12,也正在向我国转移,但总体开发能力较差,经济效益欠佳.我国模具企业每个职丁平均每年创造模具产值约合1万美元,国外模具工业发达国家大多为152O万美元,有的达到253O万美元,因此我国模具企业经济效益差,缺乏后劲.在模具制造方面,我国只能制造一些附加值很小的中低档模具,在高档模具方面与国外存在很大的差距,这与我国加工设备水平低有很大的关系.就算进口国外先进的设备,加工同一种模具,由于受限于操作员T的自身素质,工艺流程控制等因素,加的质量也有一定的差距.模具制造出来后,冲模(凸模)一般要经过表面处理,根据模具材料的不同选择渗氮或渗碳处理,对一些精度要求比较高的锻件,还要经过镀层处理,比较常见的是镀钛处理,如图4所示.模具图4经表面处理的冲模Fig.4Thesurfacetreateddie经过表面处理后,模具的表层强度,精度,耐磨性以及抗粘结性能显着提高,从而使模具的使用寿命成倍提高.5冷锻模具的发展趋势冷锻模具主要是用来生产一些适于大规模生产的高附加值产品,可以大幅度降低成本,获得客观的经济效益口.计算机技术和相应软件的飞速发展,先进的专用设备研究与开发以及先进制造技术的应用,为冷锻模具的发展提供了更加广阔的空间.5.1冷锻件的开发冷锻件具有很好的综合性能,并且成本低,但直接能冷锻成形的件有限,要不断加强这方面的开发力度,尤其在船舶,航空上的关键零部件.5.2计算机技术的应用模具行业发展最关键的是用信息技术带动和提升模具工业的制造技术水平.由最初的机械CAD/CAM软件到现在的锻模CAD/CAM系统,再到功能强大的有限元数值模拟技术,可以很直观的得到金属和模具的受力情况,模具的失效情况以及锻件可能出现的缺陷,及时对模具的设计和冷锻工艺做适当的调整,使设计更合理,精度更高,这是未来冷锻工艺发展的大趋势.5.3先进制造技术的应用精密,超精,高速,高效是冷锻模具制造不断追求的目标,随着科技的不断发展,各种先进制造技术不断涌现,例如虚拟技术,快速模型制造技术,高速扫描技术,逆向工程,并行工程等技术在模具研究,开发,加工过程中的应用,提高了模具生产效率,降低了生产成本.5.4先进的专用设备研究与开发随着人们生活的提高,对外形的要求越来越高,这就对模具加工设备的机动性提出了更高的要求.数控精密高效加工设备在模具开发和制造水平的应用解决了这一问题,如五轴加工机床,高速铣等大大提高了模具加工水平.5.5冷锻模具结构的开发冷锻模具结构的不断改进与开发是冷锻模具发展必不可少的.目前,生产所用的冷锻模具主要是第3卷第1期孑L德等:冷锻模具的现状与发展组合预应力模具,在此基础上开发出的缠绕预应力模具比组合预应力模具具有更好的综合性能,相信未来还会出现更加合理的冷锻模具结构.6结语综上所述,冷锻件在制造业尤其在汽车工业中的广泛应用,体现了冷锻模具广阔的市场前景和发展潜力.冷锻模具的结构和材料作为冷锻模具发展的催化剂,具有举足轻重的地位,它的不断发展与改进必然会引起冷锻模具长足的发展.同时,也看到我国在冷锻模具设计与制造方面与国外的差距,在已有的研究成果上,要加大冷锻模具的理论研究以及新型模具的开发,逐步缩小在新型模具开发,模具设计与制造以及模具材料等方面与国外的差距,把握冷锻发展的大趋势,切实提高我国的冷锻模具水平.参考文献:1陈学文,陈军,赵震,等.冷锻技术的发展现状与趋势_J.精密成形工程(金属成形:艺),2003,21(5):911.2徐祥龙.冷温锻技术在汽车行业中的应用EJ.金属加J二,2008(7):3943.33胡娟译.高温高压下通过石墨直接转化合成的纯聚晶金刚J.超硬材料T程,2006,18(5):4852.E41王强,蔡冬梅,赵东.BEIT装置硬质合金顶锤的结构优化J.重型机械,2004(4):5357.5来小丽,王强,蔡冬梅,等.预应力缠绕模具设计理论J.济南大学,2007,21(4):332337.6c()SENZAc,FRATIN1I,PASTAA.DamageandfracturestudyofcoldextrusiondiesJ.EngineeringFractureMechanics,2004(71):1O411053.7马国华,许宏利.基于冷锻数值模拟技术的圆锥滚子预应力组合凹模研究J.轴承,2009(1):4246.83刘彦国,张红岩.组合凹模应力应变分析J.机械研究与应用,2004,17(3):