商用車活塞終鍛模具分體結構研究

文／胡鑫帥，楊航，王建軍，閆東奇·一汽鍛造（吉林）有限公司

隨著國家對環保治理力度的加大，對發動機排放標準要求日趨嚴格，為滿足發動機排放標準的要求，鍛造鋼活塞在發動機活塞主流生產工藝中有廣闊的發展前景。但是市場化競爭也日益激烈，如果不能提質降本，將會在活塞市場攻占過程中失去先機。然而我司商用車活塞生產過程中終鍛模具平均壽命一直很低，在生產300 件左右沿裙部出現開裂趨勢，連續生產后，隨著模具慢慢失效，模具最終開裂，模具成本居高不下，頻繁換模，班產提升不上去，對公司提質降本，攻占活塞市場造成了很大的阻礙，因此提高活塞終鍛模具壽命勢在必行。

活塞終鍛模具壽命分析

終鍛模具開裂原因

商用車活塞結構復雜，不能一次成形，本司商用車活塞生產主要的成形工藝包括鐓粗→預鍛→終鍛三個工步。鍛件型腔深，裙部薄，極難成形；深型腔設計在下模，預鍛型腔與終鍛型腔仿形設計，因此在預鍛時鍛件便已初步成形，當預鍛件放入終鍛模具，成形過程中凸臺側和裙部圓角處受力過大，一般在生產500 件活塞后會造成模具沿圓角開裂甚至整塊模具破裂，如圖1 所示。

終鍛模具分體設計

圖1 整體模具開裂

目前，終鍛整體模具平均壽命為500 件，要想提高終鍛模具壽命就得降低終鍛模具易開裂部分應力，因此，對模具進行分體設計是一個很好的解決方法。如圖2 所示，將復雜且形狀不規則的模具分體，分體后的模具由外套和內芯兩部分組成。我司活塞模具選擇在裙中間分體，這種分體方式便于模具制作，且能夠有效的減小應力；接觸面采用過盈配合，這樣可以避免分體位置鉆毛刺。結合面需要設置一定長度的直段，這樣可以起到防轉的作用。

結果與分析

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圖2 活塞模具分體結構設計

圖3 終鍛成形前模擬圖

圖4 模具米塞斯應力

圖5 模具第一主應力

對于商用車活塞鍛件模具，型腔很深，國內多采用電極和數控加工相結合的方式進行制造，有較高的模具制造成本和較長的加工周期，我們采用多種方案進行驗證，發現不符合實際條件，因此采用有限元模擬軟件Forge 對模具應力進行分析，將鍛造過程中模具受力的情況通過計算機模擬呈現出來，幫助技術人員運用分析數據進行模具設計的優化，節約了試模的成本，縮短了模具改進的周期。

有限元分析

對于形狀復雜、成形困難的活塞而言，在模具應力模擬中，是先將鍛件視為塑性變形體，將模具視為剛性體；成形之后，將模具視為彈性體，鍛件被移除，鍛件上的載荷力被映射到模具上。

利用Forge 仿真軟件對整體結構和分體結構進行了模具應力的分析，圖3 為終鍛成形之前的模擬截圖。預鍛之后，坯料放入到終鍛型腔中，整體模具和分體模具同步進行，選用相同的預鍛工步件，模擬數值設置相同。

圖4 是模擬的模具米塞斯應力，圖4(a)為采用整體結構時終鍛模具的米塞斯應力云圖，圖4(b)為分體結構時終鍛模具外套的米塞斯應力云圖，將云圖的應力范圍統一更改成0 ～3000MPa，從兩幅云圖可以看出，整體結構邊緣圓角處的等效應力值大多分布在2200 ～3400MPa，局部應力可達3000 ～3400MPa。而分體結構邊緣圓角處的等效應力值大多分布在600～1400MPa，局部應力可達1200 ～1400MPa。對 比 兩 種結構相同位置的等效應力，分體模具圓角根部米塞斯應力降低60%～70%，效果非常明顯。

本文再次對第一主應力進行分析比較，如圖4 所示，整體結構整個圓角根部都受拉應力，相當于單向拉伸狀態，且應力值范圍是2500 ～3300MPa，超過抗拉強度，存在開裂風險，可能在單次載荷下就會開裂。對于分體結構，裙部圓角根部第一主應力絕對值遠大于第二、第三主應力，該處受拉應力，相當于單向拉伸狀態，且應力值范圍是600 ～1100MPa，應力值未超過抗拉強度，在多次循環載荷下會出現疲勞，產生微小裂紋，存在開裂風險，但不會在單次載荷下開裂；凸臺處圓角根部第三主應力絕對值遠大于第一、第二主應力，該處受壓應力，相當于單向壓縮狀態，無開裂風險。綜合來看分體結構明顯優于整體結構，應力降低效果明顯。

實際驗證

根據Forge 軟件分析結果，我們選取了最優的分體結構進行多次生產驗證，生產時的設備狀態、加熱溫度等參數都與使用整體結構生產時保持一致，確保無其他因素干擾模具壽命。驗證結果如圖6 所示，圖6(a)為使用分體結構的終鍛模具狀態，模具平均壽命能達到2200 件，圖6(b)為使用整體結構的模具狀態，終鍛模具平均壽命為500 件左右時開裂，從兩幅圖對比可以看出，分體結構的模具狀態明顯比整體結構的模具狀態好，達到2300 件左右時也沒有開裂，僅僅是正常的疲勞磨損，模具壽命提升了4.6 倍。

結束語

綜上所述，利用Forge 軟件進行模具應力分析和多批次實際生產驗證，得出以下結論：

⑴分體設計后的活塞終鍛模具平均壽命由500件提升到2300 件，提升了4.6 倍的模具壽命，不用頻繁換模，鍛件一致性好，模具成本大幅度降低。

⑵通過有限元軟件Forge 可以指導活塞模具的設計和持續改進，縮短試驗周期。

圖6 實際模具壽命