超高殼體鍛件預應力組合凹模設計

作者：信息來源:模具 2008-6-12

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[摘要]根據300MN水壓機生產超高殼體鋁合金模鍛件的需要，設計了一套高強度多層預應力組合凹模，在內套與中套結合處設計了獨特的滑槽式脫模機構，經模擬實驗，凹模強度及鍛件脫模均可滿足使用要求。關鍵詞模鍛強度脫模機構組合凹模A set of high－strength, ...

[摘要]　根據300MN水壓機生產超高殼體鋁合金模鍛件的需要，設計了一套高強度多層預應力組合凹模，在內套與中套結合處設計了獨特的滑槽式脫模機構，經模擬實驗，凹模強度及鍛件脫模均可滿足使用要求。
關鍵詞　模鍛強度脫模機構組合凹模

　A set of high－strength, multi－layer and pre－stress combined matrixes was designed according to the requirement of manufacturing the aluminium－alloy forging parts of extra－tall shells. A unique sliding－chute－typed demoulding system was designed at the connection part of the inner chase and the middle chase. Both the matrix strength and the demoulding of the forging parts could meet the application requirement in the mock experiments.
Key words　die forging, strength, demoulding system, combined matrix

　　我設計制造的300MN水壓機亞洲模鍛能力最大的水壓機，在航空航天及國防軍工產品的生產中發揮著巨大作用。為獲得優良的組織結構和機械強度指標，國防軍工產品如彈頭外殼目前普遍采用強度高、重量輕整體式鋁合金鍛件，類零件通常具有超高、壁薄的特點，給模具設計提出了很高要求。在300MN水壓機上生產盤類零件一般采用整體式上下模結構，模鍛件的脫模也容易實現。超高的彈頭殼體鋁合金鍛件在模鍛過程中具有很大的變形抗力，熱處理后凹模的強度不能滿足使用要求。因此，需要設計一種新型的高強度凹模，同時，超高薄壁鍛件的脫模也是模鍛生產中需要解決的問題。
　　針對300MN水壓機生產彈頭殼體鍛件出現的技術難題，設計了一套新穎的高強度預應力組合凹模及脫模機構。

1 預應力組合凹模設計

1.1 零件分析
　　鍛件如圖1所示，材料為LC4，雖然鍛件形狀簡單，但高度為1 014mm，孔深為910.5mm，在300MN水壓機的模鍛生產中已屬特高模鍛件，鍛件變形抗力為390MPa。

圖1 鍛件零件圖

1.2 凹模結構設計
　　熱模鍛模具由凸模與凹模組成，凸模在金屬變形過程中承受壓應力，凹模則承受拉應力，在實際生產中凹模強度直接影響整副模具的使用壽命。
　　如圖2所示，凹模設計為3層預應力組合凹模結構，內套與中套、中套與外套均有一定過盈量。

圖2 預應力組合凹模結構

　　這種預應力組合凹模有以下優點：
　　(1)疲勞強度高。預緊件由于載荷波動小而獲得較高的疲勞強度，被預緊件由于始終處于受壓狀態，疲勞強度也得到提高。
　　(2)承載能力高。預應力結構是一種多元結構，在整體應力集中處將其剖分，然后再預緊成整體，因而有效降低了應力集中的程度，承載能力提高，同時減輕了模具質量，降低了模具制造費用。
1.3 凹模數設計與強度分析
　　預應力組合凹模的套筒層數越多，疲勞強度越好，承載能力越高，結構越緊湊，但層數的增加給凹模的加工與裝配帶來不便。因此，凹模的層數必須兼顧模具的強度與制造費用等因素。
　　本文研究的凹模采用熱配合預應力的3層模具結構，外套為預應力套，凹模的預應力主要由外套與中套之間的過盈配合產生，內套為了便于脫模，采用3瓣對稱結構，在工作應力作用下應滿足無拉應力條件。
　　內套、中套、外套材料均采用5CrNiMo，由于采用組合結構，各套筒經熱處理后的硬度為40HRC，在450℃高溫下凹模的屈服極限可達到800MPa。經過對凹模進行有限元強度分析及幾何參數優化，圖2中凹模的幾何尺寸確定如下：D₁=612mm,h=1 500mm,D₂=720mm,h₁=1 014mm,D₃=920mm,h₂=140mm,D₄=1 220mm,h₃=200mm,d=100mm。內套與中套的最佳過盈量為0.8mm，中套與外套的最佳過盈量為1.2mm。凹模承受的最大應力為450MPa，模具安全系數為1.77，可滿足生產使用要求。

2 脫模結構設計

2.1 脫模過程
　　凹模內套設計成3分對稱結構如圖3所示，內套各結合面處加工了滑槽，中套處裝有3個軸銷，軸銷分別處于3個滑槽中。當模鍛完成后，水壓機頂出油缸開動，將內套與鍛件同時頂出，內套與中套分離；頂出器繼續向上運動，安裝在中套上的軸銷與內套側面的滑槽接觸并擠壓內套側面，產生向外的拉力，最終使內套與鍛件分離，取出鍛件，頂出油缸復位，繼續下一輪生產。

圖3 內套脫模結構
1.內套 2.軸銷 3.中套 4.外套

2.2 脫模機構參數計算
　　滑槽式脫模機構能否正常工作取決于滑槽的幾何尺寸，如圖4所示

圖4 脫模機構幾何參數

　　假設內套頂出時軸銷在滑槽內的行程為h，為了使內套與鍛件分離過程中不與中套碰撞，滑槽的角度β存在一個臨界值，大于該臨界值內套將無法張開，即軸銷在滑槽斜面上的移動所引起的內套在徑向方向的位移大于內套沿母線滑出所產生的最大徑向位移，脫模機構不能正常工作，只有當β小于該臨界值時，內套才能從凹模中取出。因此，脫模機構正常工作必須滿足如下幾何條件：

c≤c′　　(1)

而　　　　　　　　　　　　　　　c′=htanβ　　　(2)

c=htanβ　　　(3)

　　將(2)、(3)式代入(1)式可得：

htanβ≤htanα　　　(4)

　　其中α=8°，代入(4)式：

tanβ≤htan8°

即　　　β≤6.94°
　　在設計中取β=5.5°。

3 模擬實驗

　　根據上述設計參數，模具的重量約250 000kg，模具制造費用達數百萬元。為了進一步驗證模具結構的合理性與可靠性，有必要對該模具進行模擬實驗。根據相似原理，按1∶12的相似比設計了1副實驗模具，模具材料為5CrNiMo，實驗材料為LC4，在1 000kN油壓機上進行實驗。通過3塊料的實驗，預應力組合凹模的強度滿足了使用要求，同時滑槽式脫模機構能順利將內套與鍛件分離。

4 結束語

　　(1)在300MN水壓機上首次采用了預應力組合凹模生產超高殼體鍛件，與整體式凹模相比，預應力組合凹模不僅具有較高的強度指標，而且減小了模具體積，降低了模具制造費用。
　　(2)滑槽式脫模機構設計新穎，結構簡單，脫模可靠，生產效率高，該機構可滿足彈頭殼體鍛件的脫模要求，同時對于同類型模鍛件的脫模機構設計具有一定的推廣價值。

易幼平（中南工業大學機電工程學院湖南沙 410083）
曾蘇民（西南鋁加工廠）