汽车车底板(「原创」一种汽车后制动器安装底板锻造成形工艺)

2024年01月10日 来源: 点击:

随着近些年来国民整体生活水平的提高,逐渐对交通出行质量的要求也越来越高,汽车这一交通工具在老百姓的日常生活中也普及开来。日前一款自主品牌车型为提高整车驾驶品质和生产效率,提出该车后制动器安装底板制造工艺由原来的铸造成形工艺改为锻造成形工艺。通过对该车后制动器安装底板产品图分析后制定出相应的预设锻造工艺,借助Deform有限元模拟软件对预设成形工艺过程进行模拟,发现预设工艺可在现有设备能力范围内,使锻件成形饱满,没有折叠。通过对预设工艺过程的模拟,能够更加直观、准确的对成形过程中所存在的问题或缺陷进行预见、分析和改进,减少试模环节中工艺变更次数,缩短了产品的生产试验周期。

成形工艺分析

通过对客户产品图进行分析,发现该产品外形轮廓形状为非对称五边形,两角处具有两圆柱凸台和位于四边形台阶的非中心位置孔的不规则薄壁产品,技术要求尺寸和热处理后硬度符合相关规定,对产品内部组织无特殊要求,图纸转化的锻件图见图1、锻件三维图见图2。

预设工艺及分析

「原创」一种汽车后制动器安装底板锻造成形工艺

图1 锻件图


「原创」一种汽车后制动器安装底板锻造成形工艺

图2 锻件三维图


⑴由于公司现有设备的限制,目前一种方案是镦粗和预锻工序在单点闭式压力机上进行,精锻设备采用的是电动螺旋压力机,另一种方案是采用多工位热模锻压力机;产品材料为40Cr,由于产品整体壁厚较薄,最薄处仅9mm厚且为非加工面,所以并不适用于热模锻压力机锻造;若采用镦粗(镦饼)+预锻+终锻的成形工艺,在多个锻造工序传递的过程中锻件温度会有所降低,到精锻时锻件温度可能相对较低,导致型腔难以充满,精锻成形锻吨位增大,影响设备和模具寿命。

措施:锻造工艺采用横向镦粗+开式终锻成形的方法,减少了预锻工序,减少了预锻过程中锻件与模具热接触和工序传递过程中热量的散失;镦粗将棒料横置镦扁,坯料外轮廓近似方形,相对贴近于精锻模腔,预设工艺锻造工步图见图3。

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图3 预设工艺锻造工步图


⑵由于产品壁厚薄,在切边和冲孔时易使产品变形,尤其对非中心位置孔冲孔极易产生变形。

措施:锻后增加整形工序,使用两个对称的切边上下模对锻件冲孔、切边后产生的平面变形进行矫正,使平面变形量控制在技术要求允许的范围内。

⑶现有电动螺旋压力机模架最大允许装模外径为φ230mm,因为锻件外形轮廓为不规则的五边形,所以只能将型腔中心近似设计在模具中心附近减少偏载,因此无法增加脱模顶出机构(脱模困难),无法增加模具锁扣(模具错位仅依靠模架导柱导套来保证),并且现有冲孔、切边也由于模板尺寸的限制,无法实现冲孔、切边的工序。

措施:考虑到生产成本,将螺旋压力机模具和模具压套增大,依靠锥面压紧,模架不进行改动;上下模具型腔深度在5mm左右,为保证脱模效果良好,拔模斜度设计为5°;根据锻件最大投影截面积计算得出飞边厚度为2mm左右,但为确保锻件能更好的脱模,以及减小模具和设备损耗,飞边厚度设计为3mm;由于无法增加顶料机构,为方便现场钳料,在飞边桥部开设有钳口(如图4精锻上、下模);为了冲孔时更好的定位和减少冲孔变形,冲孔下模设计为仿形半包围模具(如图5冲孔下模),但是因为公司主打产品的原因,导致模架结构无法增加压边圈,并不能很好地控制冲孔变形;因为产品外形轮廓尺寸的限制,通过增大切边上、下模外径尺寸,并且相应地将原模架下模板扩大,设计为局部避空压平模具(如图6切边上、下模),减少切边时的变形,切边模具刃口间隙设计单边0.6mm。

预设工艺过程模拟

通过对预设工艺分析后又借助Deform有限元模拟软件对预设工艺成形过程进行了模拟分析,设定坯料尺寸为φ60mm×77.9mm,坯料网格划分数量为41040个,坯料加热温度为1160℃,上、下模具温度为200℃,环境温度为10℃,热对流交换系数为0.02 N/s·mm℃,选择41Cr4作为模拟材料,镦粗上模速度设为300mm/s、精锻上模速度设定为350mm/s,摩擦系数均设定为0.3,热传导率为5W/(m·K)。

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图4 精锻上、下模


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图5 冲孔下模


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图6 切边上、下模


镦粗过程模拟:将坯料横向镦粗进行模拟如图7所示,当镦坯镦粗高度至24.1mm时温度场分布如图8所示,镦坯上下表面与模具接触温度传递较快温度在950℃左右,整体温度在1170℃左右,镦粗模拟形态近似方形。

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图7 横向镦粗示意图


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图8 镦坯温度场


精锻过程模拟:通过对镦坯相对精锻模腔的两个不同放置方向进行模拟(如图9),发现锻坯相对精锻模腔放置方向不同,锻造吨位相差较大。

镦坯按图9中的左图方式放置进行锻造,当锻件凸台厚度到17.1mm时,所需吨位约为1360吨(如图10.a),且成形过程中锻件无缺肉、无折叠;锻坯按图9中的右图方式放置,当锻件凸台高度到16.9mm时,所需吨位约880吨(如图10.b),且成形过程中锻件无缺肉、无折叠。

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图9 镦坯在精锻下模的两个不同方向放置示意图


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图10 精锻成形吨位曲线图


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图11 镦坯放置方式示意图


通过对比发现镦坯按图11(即图9中的右图)相对精锻型腔方向放置,成形时流动阻力更小,更易于成形,锻造吨位更低。

试样生产环节

试模环节

试模过程中按预设工艺进行,并且对两模拟结果进行了验证,将镦坯在模腔中的两不同放置方向的成形做了试验,1000t的电动螺旋压力机打击能量在58%时,按图9中左图的放置方式成形后,非加工面测量厚度9.4mm,凸台厚度18mm,飞边厚度3.8mm,两凸台圆角存在缺肉现象;按图11的放置方式成形后,非加工面测量厚度8.9mm,凸台厚度17.4mm,飞边厚度3.2mm,锻件成形饱满无缺肉现象;但因为实际生产中的模具润滑、设备和环境因素影响,所以摩擦系数和热传导系数与模拟时所设定的数值存在差异,实际锻造结果也与模拟结果并不完全相符。

在试模生产环节出现以下情况:

⑴棒料实际加热温度范围在1130~1185℃之间,由于横向镦粗高度低,在镦粗与精锻的传递过程中,镦坯表面温度下降快,极易形成氧化皮,导致终锻后锻件表面质量有所欠缺;后将镦坯高度调高至33mm,表面氧化情况有所改善,且锻件无缺肉情况。

⑵因没有顶料杆和脱模剂喷涂不均匀、不到位,在试样的前5~10件,精锻脱模困难,且两凸台圆角处有缺肉现象,调整上、下模脱模剂喷涂方向后脱模情况和缺肉现象改善明显。

⑶冲孔时发现冲孔后锻件平面变形程度较大,肉眼可见,导致变形后的锻件在切边时无法很好的定位,便临时决定取消冲孔,改为后道机加工车削内孔;取消冲孔工序后,经过切边后锻件,残留飞边极少(切边后的锻件如图12所示);通过试制调整15件左右后,现场各环节参数基本稳定,螺旋压力机打击能量58%,锻件非加工面厚度尺寸保持在8.9~9.2mm之间,切边后锻件平面变形在0.30~0.45mm之间;待锻件冷却后,通过在400t压力机上冷整形,平面变形小于0.3mm符合要求。

⑷由于模具尺寸限制无法在模具上增加导向,仅依靠模架和设备保证锻件错位很难完美实现,故上下模具有约0.3mm的错位,在技术要求范围内可以接受。

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图12 切边后的锻件


锻后试样检验

锻件试样生产结束后,质量检验人员取样对此次试样做全尺寸检验和酸洗实验,试样检验结果全部符合图纸要求,酸洗后锻件表面无缺肉和折叠现象,样件酸洗前后对照图见图13。

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图13 样件酸洗前后对照图


试样结果

锻件试样经过质量检验人员的检测后,样件符合图纸要求,该批试样300件(左右对称件各150件)抛丸后,流入下工序进行机加工,经过机加工及机加工全尺寸检验,以及表面处理验证合格后交样主机厂。

结束语

通过借助Deform有限元模拟软件对预设工艺进行模拟,可以预见部分生产中可能出现的问题或缺陷,验证了预设工艺的可行性,减少了实际生产试模环节中工艺的变更,提高了试模过程中对工艺参数控制的方向性,缩短了研发周期;但因为实际生产中环境因素和人为因素等的影响,实际锻造结果也与模拟结果并不完全相符,但极具参考意义。

—— 来源:《锻造与冲压》2019年第21期


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