Comprensión de la falla por grietas: un estudio de caso de la línea de producción automática de forjado de alta velocidad 3500T

En 2005, nuestra empresa adquirió una línea de producción automática de forjado de clase mundial (Figura 1) de Alemania. Esta línea de producción es capaz de forjar a alta velocidad y tiene una capacidad de 3.500 toneladas.

línea de producción automática de forja

Fig. 1 panorama de la línea de producción automática de forjado de alta velocidad de 3500t

La tasa máxima de producción de diseño es de 25 piezas por minuto.

La alimentación, el calentamiento, el forjado y el tratamiento de poscalentamiento se controlan automáticamente.

Se adopta el proceso de forja cerrada, que involucra cinco pasos para obtener la conformación de forja: prerretorno, recalcado, preforja, forja final y punzonado.

Como se ilustra en la Figura 2, el sistema de enfriamiento del molde utiliza tecnología de pulverización automática. El medio refrigerante es una mezcla de agua y agente desmoldante en una proporción específica.

Fig. 2 Enfriamiento y lubricación por pulverización automática

Durante la producción real, se ha observado que ciertas variedades de forjado no alcanzan su vida útil normal, siendo la principal forma de falla la rotura del troquel (ver Fig. 3).

De media, unas 1.500 piezas se ven afectadas por grietas, lo que da como resultado aproximadamente 2.500 moldes de desecho. En los casos más graves, unas 300 piezas presentan grietas, lo que obliga a desechar aproximadamente 1.200 moldes.

posición y forma de la grieta en el molde (grieta en círculo rojo)

Fig. 3 posición y forma de la grieta del molde (grieta en el círculo rojo)

Encontrar la causa del fallo.

El primer paso implicó recuperar los registros de inspección física y química, así como los registros de inspección física y química del tratamiento térmico del acero matriz. También se comprobó la dureza de la matriz defectuosa y no se encontraron anomalías evidentes.

En segundo lugar, se llevó a cabo en el campo una cuidadosa observación de la forma, el tamaño y la profundidad de la grieta en el molde de falla. Se descubrió que la altura de la grieta parecía haberse formado gradualmente cortando con gas a alta temperatura y alta presión.

El tercer paso fue ensamblar los troqueles superior e inferior de las piezas forjadas en caliente finales y preforjadas utilizando CAD (como se muestra en la Fig. 4).

Aunque había un espacio cerrado con una altura de aproximadamente 1,9 mm, con un orificio de escape, se encontró que el agrietamiento de la matriz era evidente durante la producción real. Por lo tanto, fue necesario analizar este tema cuidadosamente utilizando un software de simulación de deformación.

Dibujo CAD de troqueles de forja finales superiores e inferiores y montaje de piezas preforjadas en caliente.

Fig.4 Dibujo CAD de troqueles de forjado finales superiores e inferiores y montaje de piezas preforjadas en caliente

En cuarto lugar, utilizando la simulación de deformación y una observación cuidadosa, se observó que durante la simulación de forjado final, en el paso 16, los arcos en ambos lados de los radios superiores de la matriz de forjado final primero hacen contacto con la pieza en bruto preformada forjada en caliente. . Esto da como resultado la formación de un espacio confinado independiente entre los dos puertos de escape más cercanos a la izquierda y a la derecha, como se muestra en la Fig.

Fig. 5 Simulación de deformación del molde fallido (espacio confinado independiente en el círculo verde)

Después de realizar un análisis de simulación de deformación en varios troqueles con grietas anormales, se descubrió que se forma un espacio confinado independiente durante el proceso de forjado entre la pieza en bruto caliente y los dos orificios de escape más cercanos a la izquierda y a la derecha de los troqueles superior e inferior. Este fenómeno está representado en la Figura 6, Figura 7 y Figura 8.

Simulación de deformación del molde de falla II (espacio confinado independiente en círculo verde)

Fig. 6 simulación de deformación del molde de falla II (espacio confinado independiente en círculo verde)

Simulación de tres deformaciones de molde fallidas (espacio confinado independiente en un círculo verde)

Fig. 7 Simulación de tres deformaciones del molde fallido (espacio confinado independiente en el círculo verde)

Simulación de deformación de cuatro moldes fallidos (espacio confinado independiente en círculo verde)

Fig. 8 Simulación de deformación de cuatro moldes fallidos (espacio confinado independiente en círculo verde)

El quinto paso implica un análisis detallado de la información presentada anteriormente.

Las características de producción de la línea de producción automática de forjado de alta velocidad de 3500t determinan que cuando el control deslizante llega al punto muerto superior, el sistema de pulverización se extenderá rápidamente a los moldes superior e inferior de los cinco pasos y aplicará una cantidad significativa de agente desmoldante y agua. mezcle sobre ellos durante aproximadamente un segundo.

La aplicación oportuna de una gran cantidad de refrigerante (es decir, la mezcla de agente desmoldante y agua) tiene dos propósitos importantes. En primer lugar, garantiza un desmolde y expulsión rápidos y estables de piezas forjadas en caliente y, en segundo lugar, ayuda a mantener la temperatura de trabajo de la matriz dentro de un rango de temperatura baja específico. Esto es crucial para evitar que la matriz se dañe debido a un desgaste severo o deformación causada por un aumento repentino de temperatura en un corto período de tiempo.

En resumen, la aplicación oportuna de una cantidad significativa de refrigerante es una medida crucial para garantizar el buen funcionamiento del forjado automático de alta velocidad y es absolutamente esencial.

Durante la forja, la pieza en bruto caliente (que tiene una temperatura de aproximadamente 1150-300 ℃) a alta velocidad. Este contacto instantáneo puede hacer que el refrigerante se convierta en gas de alta temperatura y alta presión. Sin embargo, particularmente en un espacio confinado independiente, el gas a alta temperatura y alta presión no puede descargarse suavemente a través del orificio de escape y eventualmente actúa sobre el molde caliente, causando daños por corte.

medidas de mejora

Con base en los resultados del análisis anterior, se formularon medidas de mejora.

Inicialmente, el troquel de preforjado Die I, que anteriormente había fallado, se sometió a modificaciones experimentales. La superficie del radio de la matriz de forjado final superior ahora contacta primero con el radio de la pieza en bruto de preforjado en caliente cuando se coloca en la cavidad de forjado final para forjar. No hay ningún espacio confinado independiente entre los dos puertos de escape más cercanos a la izquierda y a la derecha.

Durante la forja, se genera una gran cantidad de gas a alta temperatura y alta presión, que ahora se puede descargar de manera suave y oportuna desde el orificio de escape, el espacio entre las varillas eyectoras superior e inferior y el molde, y el espacio entre la división. moldes, como se muestra en la Figura 9.

El plan de mejora experimental para el fallido Die I demostró ser muy exitoso durante la verificación práctica. La vida útil del molde ha alcanzado ya las 15.000 piezas y no ha habido más fallos en el molde.

simulación de deformación del molde de falla después de la mejora

Fig. 9 simulación de la deformación del molde defectuoso después de la mejora (no hay un espacio confinado independiente en el círculo verde)

A partir de experiencias exitosas, mejoramos secuencialmente otros moldes problemáticos. Esto garantiza que cuando una nueva pieza en bruto forjada en caliente llegue a la etapa problemática, no habrá ningún espacio confinado aislado entre la pieza en bruto y los dos orificios de escape más cercanos en los lados izquierdo y derecho del molde. Puede encontrar el método de mejora detallado en las Figuras 10, 11 y 12.

Simulación de deformación después de la mejora del molde II fallido (no hay espacio confinado independiente en el círculo verde)

Fig. 10 simulación de deformación después de la mejora del molde II fallido (no hay espacio confinado independiente en el círculo verde)

simulación de deformación después de la mejora del molde de falla III

Fig. 11 Simulación de deformación después de la mejora del molde de falla III (no hay espacio confinado independiente en el círculo verde)

Simulación de deformación después de una mejora fallida del molde IV (no hay un espacio confinado independiente en el círculo verde)

Fig. 12 Simulación de deformación después de la mejora del molde IV fallido (no hay espacio confinado independiente en el círculo verde)

Efecto de mejora

Los moldes I, II, III y IV se mejoraron individualmente y los resultados fueron muy eficaces. La vida útil media de los moldes aumentó hasta las 15.000 piezas, sin que se produjeran fallos por fisuras.

Además de garantizar la calidad de la apariencia de las piezas forjadas, se pueden observar importantes ahorros de costos (Tabla 1) mediante la reducción de los costos de los troqueles. Además, al evitar la necesidad de reparación posterior de piezas forjadas, también se evita el desperdicio innecesario de mano de obra y recursos materiales.

Tabla 1 Tabla de ahorro de costos de moldes mejorada

NO.

Demanda de forja (10.000 piezas/mes)

Demanda de molde antes de mejora (pieza/mes)

Demanda de molde después de la mejora (pieza/mes)

Muere sano y salvo tras mejoría (pieza/mes)

Costo ahorrado después de la mejora (10.000 yuanes/mes)

Ahorro mensual (10.000 yuanes/mes)

Ahorro anual (10.000 yuanes)

moldeame

3

12~20

3~4

10

4.5

18

216

Molde II

Molde III

Molde IV

Resumen de mejora

(1) Para mantener el funcionamiento estable de la línea de producción automática de forjado de alta velocidad de 3500t, se debe rociar una gran cantidad de refrigerante nebulizado. Sin embargo, cuando el dispositivo de pulverización no funciona correctamente, como una falla de la válvula de aire (lo que resulta en falta de aire para rociar el molde superior e inferior) o una falla de la válvula de agua (la válvula de pulverización del molde superior no pulveriza, el molde inferior pulveriza durante mucho tiempo o tanto la pulverización del molde superior como el inferior durante un período prolongado), pueden surgir problemas.

Además, la falla de la válvula del agente desmoldante (la válvula del agente desmoldante del molde superior no pulveriza, la válvula del agente desmoldante inferior durante mucho tiempo o la pulverización del molde superior e inferior durante mucho tiempo) puede provocar la formación de agua o una mezcla de agua y agente desmoldante que queda en el cóncavo inferior del blanco cálido. Esto puede provocar que el molde superior no se lubrique y enfríe a tiempo, lo que provoca un rápido aumento de temperatura. El molde es entonces más propenso a cortarse y dañarse por las altas temperaturas y el gas a alta presión.

(2) Cuando los gases a alta temperatura y alta presión actúan sobre un troquel caliente, pueden causar daños en el corte. Esto plantea la pregunta de por qué en la forja en caliente no se corta, sino sólo la matriz.

Más tarde se descubrió que la forja en caliente, que tiene una temperatura de trabajo de aproximadamente 1150 ~ 1200 ℃, tiene una plasticidad extremadamente alta, mientras que la matriz, con una temperatura de trabajo de aproximadamente 200 ~ 300 ℃, no tiene la misma plasticidad.

Tanto las piezas forjadas en caliente como las matrices en caliente están sujetas a altas temperaturas y gases a alta presión, pero la línea de corte de las piezas forjadas en caliente se reparará sola debido a su alta plasticidad. Por otro lado, la matriz debe permanecer a una temperatura relativamente baja para mantener su dureza, y no puede tener ninguna plasticidad debido a un fuerte aumento de temperatura. Como resultado, ni siquiera una pequeña grieta causada por el corte con gas a alta temperatura y alta presión se puede reparar y, a medida que continúa el trabajo de forjado y conformado, la grieta se extenderá lentamente y eventualmente resultará en el desmantelamiento del molde.

(3) La práctica ha demostrado que esta mejora es exitosa y el efecto es muy notable, lo que puede considerarse una cura para el problema.

Después de un largo período de observación y verificación, la línea de producción automática de forjado de alta velocidad de 3500t ya no presenta fallas por grietas en el troquel.

Los diseñadores relevantes de la sala de proceso de forjado del grupo de conformado en caliente del centro físico-químico de materiales de la empresa del grupo también reconocieron esta mejora y se emitieron planos actualizados.

Conclusión

La resolución exitosa del problema de falla por grietas en el troquel en la línea de producción de forjado automático de alta velocidad de 3500 toneladas proporciona información valiosa para el diseño del troquel de la misma línea de producción.

Después de la mejora, se mejoró la calidad de la apariencia de las piezas forjadas y hubo una reducción significativa en el costo de la matriz.

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