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用于浮动精锻模中的碟形弹簧的设计
作者:上海交通大学 丁旭光 张质良
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冲压模具/锻压/冷镦模具展厅
冲压模, 级进模, 拉深冲裁模, 冷冲模, 冲床模具, ...
摘要:叙述了精密锻造的优点,提出使用碟形弹簧实现浮动模具工艺。介绍了碟形弹簧的组合方式,并给出设计实例。
关键词:碟形弹簧;精密锻造

一、概述

锻造是机械制造的基础技术,随着机械工业的迅速发展,模锻件的应用越来越广泛,锻件生产向着高精化、高质量、多品种、低消耗、低成本的方向发展[1,2,4]。

精密锻造采用可分凹模闭式挤压成形,模具先闭合成封闭空间,同时对闭合凹模施加足够强大的压模力,然后由一个或多个冲头(单向或多向)对金属坯料进行挤压成形。这种方法通过一次成形即可获得复杂形状的高精度锻件,目前在世界各国的应用非常广泛[1]。通过先进的工艺设备、检测手段相配合,已形成了优质高效低耗的精密成形单元或系统,并普遍取代了传统的成形工艺与设备。

国内目前双动压力机较少,必须改造模具以实现浮动模具工艺,采用碟形弹簧是方法之一。

二、碟形弹簧的负荷

在金属变形中,压力机施加的总变形抗力P总等于坯料变形吸收的变形抗力P变与张模力P张(碟形弹簧承受的反抗力P弹)之和(图1)。即:

P总=P变+P张(P弹)(1)
P变=p×A凸(2)
P张=p×(A投-A凸)(3)

式中p——单位挤压力
A凸——凸模工作投影面积
A投——制件(包括连皮)最大投影面积

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图1挤压力分配图
1.上凹模2.下凹模3.垫板4.导柱5.下凸模
6.碟形弹簧7.压模圈8.坯料/制件9.上凸模

三、碟形弹簧的组合方式[2]

碟形弹簧的形状和尺寸如图2所示。

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图2碟形弹簧

设P为载荷;p为单个碟片承载;H为单个碟片高度;n为每叠碟片个数;F为碟片组总变形量,即行程;f为单个碟片变形量;s为单个碟片厚度;i为每组弹簧叠数;Ho为碟片组高度。

1.对合碟形弹簧组(图3)

特点是变形大,承载小,适于长轴类锻件。

P=p(4)
F=n×f(5)
Ho=n×H(6)

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图3对合组合方式

2.叠合碟形弹簧组(图4)

特点是变形小,承载大,适于短轴类锻件。

P=n×p(7)
F=f(8)
Ho=H+(n-1)×s(9)

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图4叠合组合方式

3.复合碟形弹簧组(图5)

特点是变形较小,承载较大,适于复杂锻件。

P=n×p(10)
F=i×f(11)
Ho=i×[H+(n-1)×s](12)

考虑摩擦时,按载荷的2%~3%计。

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图5复合组合方式

四、碟形弹簧的设计

1.设计步骤

(1)确定开模力。
(2)考虑模具尺寸和弹簧承载能力,确定弹簧组合形式、组数和每组负荷。
(3)选择C=D/d(外/内直径)值:取值范围2~3.5。国家标准取2。初步确定外径D后,通过C值在文献[2]中表14-1中查系数α、β、γ值。
(4)选择h/s(h-极限变形量)值:取值范围0.6~1.3。太小不能实现行程需要,太大碟形弹簧性能会有变异(翻转),引起特性曲线的突然改变。
(5)选择fmax/h值:取值范围0.6~0.75。太小不能实现行程需要。
(6)选择材料:65Si2MnWA,σs=1700MPa。
(7)计算厚度s:由动载荷情况下的强度校核公式σⅡ、σⅢ反算s,取其小者。并由h/s、fmax/h计算h和fmax。
(8)由文献[2]中式(14—18)计算在fmax情况下,该碟形弹簧在强度许可范围内的最大承载力p。
(9)确定每叠碟片个数:n=P/p(13)
确定每组叠数:i=F/fmax(14)
(10)确定每组高度:Ho=i×[H+(n-1)×s]
(11)从输出数据中选择合适者作为结果。

以上计算可以通过设计短小计算机程序来完成。

2.设计实例

图6是汽车传动系统中的内星轮零件,采用碟形弹簧闭式锻造工艺。设9.5mm处为分模面,下部型腔无相对运动,在上模装碟形弹簧。设坯料为φ36.5mm×40mm,行程同为24.1mm,总挤压力为2600KN。碟形弹簧基本参数为:D=110mmd=32.4mmfmax=4.1mmf/h=0.7p=65.1KNH=10.8mm。凸凹模尺寸有两种设计方案:

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图6内星轮零件简图

(1)下模在B处分凸凹模,φ36.5mm为凸模直径,则坯料变形力为1250KN,分模力为1350KN,碟簧(n,i)=(6,6),Ho=211.8mm;

(2)下模在A处分凸凹模,仅侧鼓投影面积为凹模承载面积,凸模作成镶块式,则坯料变形力为2100KN,分模力为500KN,碟簧(n,i)=(2,6),Ho=94.1mm。

不难看出,方案(1)模具较为简单,但碟形弹簧承载较大,尺寸大,工作空间紧张。方案(2)模具较为复杂,而弹簧负载小,尺寸减小很多,性能较稳定。如果零件批量较大,方案(2)是较优的。

碟形弹簧的设计与模具尺寸选择关系密切。合理地选择分模面、凸模最大投影面积等参数将使碟形弹簧的设计最优化。

五、结束语

碟形弹簧的使用可以较为简单地实现浮动模具工艺,但在设计与使用中要注意以下几点:

(1)碟形弹簧承载能力较刚性结构与液压结构为小,故适用于小截面制件的制造。
(2)碟形弹簧在动载作用下,易产生塑性变形,性能稳定性较刚性结构与液压结构差,故适用于小批量制件或精度要求不高制件的制造。
(3)碟形弹簧的设计应与凸、凹模设计紧密联系。在尽可能的情况下,增加坯料变形力(增大模具刚性结构投影面积),减小模具浮动部分的面积,从而减小碟形弹簧承载。这对减小碟形弹簧尺寸有较明显效果。
(4)因压力机闭合高度有限,应根据工作台面尺寸选取大且高度小的碟形弹簧组合。
(5)碟形弹簧的承载实现与行程实现应一致,理论上最大变形时的承载能力与实际许可变形时的承载能力,两者是不一致的。
(6)强度校核时,应用实际最大变形量fmax,而不是预压变形量;
(7)获得碟形弹簧参数后,还应与实测(或计算机模拟)所得张模力曲线相比较,以期在变形的各个阶段都能实现封闭。

参考文献
[1]皇甫骅.先进制造技术和精密成形技术.第5回中日精密锻造シンポジウム论文集,西安,1996:1~4
[2]Tomiyama Makoto.Fully enclosed die forge of a cross.第三回中日冷间锻造学术座谈会论文集,北京,1990:91~94
[3]张英会.弹簧.北京:机械工业出版社,1982.
[4]夏巨谌.闭式模锻.北京:机械工业出版社,1993.
[5]贾德伟.单、双向通用浮动闭式精锻模具.锻压技术,1991,16(1):43~46(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (2007-6-10)
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