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曲轴锻模工艺及模具设计研讨

2013/11/07 阅读:

这种曲轴适宜采用水平分模。由于其中的4个平衡块都不需要机加工,需要机加工的位置只有连杆颈、主轴颈和大小头的台阶轴等部位。但由于曲轴的锻造精度要求高,一般上下模的对称度要求≤0.3mm,甚至更高,所以锻造难度比较大。由于大部分曲轴形状较为复杂,自成体系,在制造上和其他锻件的生产有着很大的区别,如果采用人工计算、设计曲轴锻件和锻模的方法,难度大、工序多,已经不能满足设计精度要求和市场的要求。特别是因为当前的生产不断向着高复杂、高精密、多品种以及设计制造的短周期方向发展,锻模CAD/CAM技术越来越受到了重视和应用。本文采用Pro/E软件对133曲轴的锻模进行设计。

1曲轴锻模的结构设计

由于热模锻压力机的工作速度相对较低、运动平稳、上下模接近时不能压靠、完成后有顶出装置,所以,锻模不需要承受锻压时产生的过剩能量,不用考虑锻模受力面积的大小,在这种情况下,锻模大多是在通用模架内添加带型槽镶块的结构形式。这种结构的锻模主要包括通用模架、模块、模块垫板、模块紧固件、导套、导柱、顶出机构等不同的零件。在设计热模锻压机模具结构时,主要应该考虑模架、模块、导锁、排气孔、收缩率等。

1.1模架

模架的作用是紧固模块,并且能够传递锻压机顶料运动,是承受锻造负荷的主要部件。目前,已经开发出来的模架类型有很多,可供选择使用,当然,也可以根据不同的工艺需要自行设计。较为常用的有两种:一是压板式模架,二是定位键式模架。根据133曲轴的实际情况,一般选用定位键式模架作为基础。这种模架的优点是:先用键实现镶块、垫板以及模座进行前后左右方向上的定位,再用螺栓把三部分紧固成一个整体。定位键呈十字型分布,镶块的尺寸可以在较大范围内进行调节。

1.2模块

在组合式模具中,模块是其中最重要的主体。在模块上需要开设成形的模膛,而模膛的尺寸则由热锻件图的尺寸和形状确定。一般来说,一个模块上可以只设置一个模膛,也可以同时设置两个或多个模膛。在本套曲轴的模具中,由于曲轴的形状较为复杂,在一个模块只适合设置一个模膛。模块的结构和形式应当和模架的结构形式相适应,一般在应用中有长方形和圆柱形两种。其中,与圆柱形的模块相比,长方形的模块在调整和加工时都更为简便,所以,长方形的模块在应用中更为广泛。本模具设计采用长方形结构,其尺寸定为600mm×380mm。

1.3导锁

利用锻压机进行模锻时,虽然有良好的导向机构,可是,如果锻件的分模面是斜面、曲面,或者锻模和模膛中心存在较大的偏移量时,在模锻时会产生一定量的水平分力,这种水平分力很容易引起锻模与锻件之间的错移,同时增加了压机导轨、模具导柱、导套之间的磨损。所以,为了避免出现这种情况,常常在锻模模块上添加锁扣来平衡水平分力。在曲轴的锻模设计中,考虑到曲轴模锻的变形阻力不均匀,会导致模膛中心与锻模中心的不重合。同时,因锻件精度要求较高,如果设备在长期使用后,导向精度也难以达到产品的精度要求,所以在设计时添加导锁。根据上述分析将导锁设计为对角形式。本套模具的导锁尺寸为80mm×80mm×52mm,拔模斜度为3°,导锁间隙0.2mm。

1.4排气孔

当终锻模膛存在较深的型腔时,金属在上下模块的一次行程中成形,这时积聚在型腔内的空气受压,如果无法溢出,就会在型腔内产生较大的压力,阻碍金属充满整个型腔内部,所以,在模具设计中需要考虑在型腔内最后充满金属的部位开设若干个排气孔。在曲轴的模具中,排气孔的直径确定为准2mm,孔深10mm,后部可以用准5mm的通孔使其与通道相通。考虑到不同的因素,在Pro/E软件中设计出曲轴(预)终锻模具结构如图2所示。

2锻模材料热处理及加工工艺

2.1锻模材料选择

133曲轴终锻模模型如图3所示。要想选择合适的锻模材料,需要考虑众多的因素,其中锻造设备、锻件材料、型槽深度和复杂程度、锻造温度、锻件的公差等为关键的几个方面。同时,与锤锻模需要承受较大的冲击载荷不同,压力机锻模则要承受较高的热载荷。由于锻模长期处于200℃以上的条件下使用,其材料需要按规定采用耐热模具钢。这类模具钢的含碳量为0.3%~0.6%,主要元素有Cr、Mo、W、V、Ni等。在锻模中,对于深模槽和一些大模块,还要求用具有较好的韧性和淬透性的模具钢,型槽越深、模块越大,模块的强度则应选得相对低些。在综合分析的基础上,确定选用热锻模中最常用的5CrNiMo钢作为133曲轴的锻模材料,其化学成分见表1。

2.2锻模的热处理

锻模的热处处理采用油淬方式,一般淬火的温度在820~860℃之间,在500℃时回火,最终保证锻模材料的硬度在45~48HRC之间。需要采用二次回火的方式,使第一次回火后的残留奥氏体发生充分转变。

2.3曲轴模具加工工艺

由于曲轴锻模相对较为复杂,在加工时需要采用多种加工工艺和方法。其中锻模型腔的最终加工精度直接影响着曲轴锻件的精度,所以,对于型腔的加工精度是锻模加工的关键所在。特别是曲轴的锻模型腔形状较为复杂,相对较深而又狭窄,加工精度要求又高,所以,加工存在一定的难度。一般地,在型腔较深处切削加工时,要求刀具直径小,强度相应地就降低,特别是精加工大都是在对模具经过淬火之后才能进行,所以,在加工时刀尖切削刃发生崩裂甚至整个刀具断裂的现象经常发生。综合考虑以上各种因素,对曲轴锻模型腔精加工时宜采用电火花方式进行。常见的加工工艺过程为:模块锻坯→毛坯退火→铣削各个平面→型面粗铣→型面半精铣→模块淬火→型面电火花精加工(切边模用线切割机床加工)→型腔抛光→检验。

3结论

由于曲轴结构的复杂性,在锻模制造上也具有一定的特殊性。借助于Pro/E设计加工平台,不仅能够很方便地进行产品的造型,还能很方便地进行加工和制造。使用Pro/E对以上曲轴锻模进行造型并进行数控加工,大大缩短了生产工期,在模具产品的质量上也有了相当大的提高,对于提高数控加工水平和生产效率具有十分重要的意义。

作者:王敬艳孔建朱晶波单位:长春职业技术学院烟台工程职业技术学院

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