超高壳体锻件预应力组合凹模设计

作者：信息来源:模具 2008-6-12

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[摘要]根据300MN水压机生产超高壳体铝合金模锻件的需要，设计了一套高强度多层预应力组合凹模，在内套与中套结合处设计了独特的滑槽式脱模机构，经模拟实验，凹模强度及锻件脱模均可满足使用要求。关键词模锻强度脱模机构组合凹模A set of high－strength, ...

[摘要]　根据300MN水压机生产超高壳体铝合金模锻件的需要，设计了一套高强度多层预应力组合凹模，在内套与中套结合处设计了独特的滑槽式脱模机构，经模拟实验，凹模强度及锻件脱模均可满足使用要求。
关键词　模锻强度脱模机构组合凹模

　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

　　我设计制造的300MN水压机亚洲模锻能力最大的水压机，在航空航天及国防军工产品的生产中发挥着巨大作用。为获得优良的组织结构和机械强度指标，国防军工产品如弹头外壳目前普遍采用强度高、重量轻整体式铝合金锻件，类零件通常具有超高、壁薄的特点，给模具设计提出了很高要求。在300MN水压机上生产盘类零件一般采用整体式上下模结构，模锻件的脱模也容易实现。超高的弹头壳体铝合金锻件在模锻过程中具有很大的变形抗力，热处理后凹模的强度不能满足使用要求。因此，需要设计一种新型的高强度凹模，同时，超高薄壁锻件的脱模也是模锻生产中需要解决的问题。
　　针对300MN水压机生产弹头壳体锻件出现的技术难题，设计了一套新颖的高强度预应力组合凹模及脱模机构。

1 预应力组合凹模设计

1.1 零件分析
　　锻件如图1所示，材料为LC4，虽然锻件形状简单，但高度为1 014mm，孔深为910.5mm，在300MN水压机的模锻生产中已属特高模锻件，锻件变形抗力为390MPa。

图1 锻件零件图

1.2 凹模结构设计
　　热模锻模具由凸模与凹模组成，凸模在金属变形过程中承受压应力，凹模则承受拉应力，在实际生产中凹模强度直接影响整副模具的使用寿命。
　　如图2所示，凹模设计为3层预应力组合凹模结构，内套与中套、中套与外套均有一定过盈量。

图2 预应力组合凹模结构

　　这种预应力组合凹模有以下优点：
　　(1)疲劳强度高。预紧件由于载荷波动小而获得较高的疲劳强度，被预紧件由于始终处于受压状态，疲劳强度也得到提高。
　　(2)承载能力高。预应力结构是一种多元结构，在整体应力集中处将其剖分，然后再预紧成整体，因而有效降低了应力集中的程度，承载能力提高，同时减轻了模具质量，降低了模具制造费用。
1.3 凹模数设计与强度分析
　　预应力组合凹模的套筒层数越多，疲劳强度越好，承载能力越高，结构越紧凑，但层数的增加给凹模的加工与装配带来不便。因此，凹模的层数必须兼顾模具的强度与制造费用等因素。
　　本文研究的凹模采用热配合预应力的3层模具结构，外套为预应力套，凹模的预应力主要由外套与中套之间的过盈配合产生，内套为了便于脱模，采用3瓣对称结构，在工作应力作用下应满足无拉应力条件。
　　内套、中套、外套材料均采用5CrNiMo，由于采用组合结构，各套筒经热处理后的硬度为40HRC，在450℃高温下凹模的屈服极限可达到800MPa。经过对凹模进行有限元强度分析及几何参数优化，图2中凹模的几何尺寸确定如下：D₁=612mm,h=1 500mm,D₂=720mm,h₁=1 014mm,D₃=920mm,h₂=140mm,D₄=1 220mm,h₃=200mm,d=100mm。内套与中套的最佳过盈量为0.8mm，中套与外套的最佳过盈量为1.2mm。凹模承受的最大应力为450MPa，模具安全系数为1.77，可满足生产使用要求。

2 脱模结构设计

2.1 脱模过程
　　凹模内套设计成3分对称结构如图3所示，内套各结合面处加工了滑槽，中套处装有3个轴销，轴销分别处于3个滑槽中。当模锻完成后，水压机顶出油缸开动，将内套与锻件同时顶出，内套与中套分离；顶出器继续向上运动，安装在中套上的轴销与内套侧面的滑槽接触并挤压内套侧面，产生向外的拉力，最终使内套与锻件分离，取出锻件，顶出油缸复位，继续下一轮生产。

图3 内套脱模结构
1.内套 2.轴销 3.中套 4.外套

2.2 脱模机构参数计算
　　滑槽式脱模机构能否正常工作取决于滑槽的几何尺寸，如图4所示

图4 脱模机构几何参数

　　假设内套顶出时轴销在滑槽内的行程为h，为了使内套与锻件分离过程中不与中套碰撞，滑槽的角度β存在一个临界值，大于该临界值内套将无法张开，即轴销在滑槽斜面上的移动所引起的内套在径向方向的位移大于内套沿母线滑出所产生的最大径向位移，脱模机构不能正常工作，只有当β小于该临界值时，内套才能从凹模中取出。因此，脱模机构正常工作必须满足如下几何条件：

c≤c′　　(1)

而　　　　　　　　　　　　　　　c′=htanβ　　　(2)

c=htanβ　　　(3)

　　将(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°
　　在设计中取β=5.5°。

3 模拟实验

　　根据上述设计参数，模具的重量约250 000kg，模具制造费用达数百万元。为了进一步验证模具结构的合理性与可靠性，有必要对该模具进行模拟实验。根据相似原理，按1∶12的相似比设计了1副实验模具，模具材料为5CrNiMo，实验材料为LC4，在1 000kN油压机上进行实验。通过3块料的实验，预应力组合凹模的强度满足了使用要求，同时滑槽式脱模机构能顺利将内套与锻件分离。

4 结束语

　　(1)在300MN水压机上首次采用了预应力组合凹模生产超高壳体锻件，与整体式凹模相比，预应力组合凹模不仅具有较高的强度指标，而且减小了模具体积，降低了模具制造费用。
　　(2)滑槽式脱模机构设计新颖，结构简单，脱模可靠，生产效率高，该机构可满足弹头壳体锻件的脱模要求，同时对于同类型模锻件的脱模机构设计具有一定的推广价值。

易幼平（中南工业大学机电工程学院湖南沙 410083）
曾苏民（西南铝加工厂）