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1、第3 2 卷第6 期V 0 1 3 2N o 6锻尼技#F O R GN G S T A M PN GT E C H N O L O G Y2 0 0 7 年1 2 月D e c 2 0 0 7内燃机用保护螺母温挤压成形模具设计及A N S Y S 分析刘军明。刘汉武，刘韧(华北科技学院机电系，河北三河0 6 5 2 0 1)摘要：研究了D F 7 C 型内燃机车中的气缸螺栓保护螺母的温挤压成形工艺，确定了其成形毛坯、挤压温度、模具预热温度、模具的冷却与润滑方式等。设计了温挤压成形时阶梯轴型凸模和组合式凹模的模具结构，并利用A N S Y S软件对其强度进行了有限元分析。结果表明，所设计的气缸
2、螺栓保护螺母的模具结构是合理的，满足生产要求。经实际生产证明，该零件的下料重量由原来自由锻生产的3 8 5 妇下降为现在的1 3 蛞，材料的利用率由原来的2 2 7 提高到现在的8 3 6，每年可节省钢材4t 多。这为生产相似零件提供了有益的依据和成功的经验。关键词：温挤压；模具设计；挤压工艺；有限元分析中图分类号：E 1 1 3 1 2文献标识码：A文章编号：1 0 0 0-3 9 4 0(2 0 0 7)0 6-0 1 0 2-0 3D e s i g na n dA N S Y Sa n a l y s i so fw a r me x t r u s i o nd i eo fb o
3、l t-p r o t e c t e ds c r e wu s e df o ri n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e sL I UJ a n-r u i n g，L 1 UH a n-w u，L I UR e n(D e p a r t m e n to fM e c h a n i c a la n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g，N o r t hC h i n aI n s t i t u t eo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y，S
4、 a n h e0 6 5 2 0 1，C h i n a)A b s t r a c t：T h ew a r me x t r u s i o nt e c h n o l o g yo fa i rc y l i n d e rb o l t-p r o t e c t e ds c r e w su s e df o rt h en a t i o n a ll o c o m o t i v eD F 7 Cw a ss t u d i e d T h ew a r me x t r u s i o nt e c h n o l o g yp a r a m e t e r s，s
5、u c ha sb u l l e t s，d i et e m p e r a t u r e，t h ec o o l i n ga n dl u b r i c a t i o no fd i ew e r ed e t e r m i n e d，t h es t r u c t u r eo fp u n c ha n dd i ew a sd e s i g n e d，a n dt h ed i es t r e n g t hw a sa n a l y z e db yA N S Y Ss o f t w a r e T h er e s u l t ss h o wt h
6、a tt h ew a r me x t r u s i o nd i es t r u c t u r eo ft h ea i rc y l i n d e rb o l t-p r o t e c t e ds c r e wi sr e a s o n a b l e，a n dc a nm e e tt h ed e m a n d so fp r a c t i c a lp r o d u c t i o n A c t u a le x t r u s i o np r o d u c t i o na l s os h o w st h a t3 8 5k gb l a n
7、kw e i g h tp r o d u c e db yt h eo r i g i n a l l yf r e ef o r g i n gt e c h n o l o g yi sd e c r e a s e dt o1 3 妇f o rn O W T h er a t eo fm a t e r i a lu t i l i z a t i o nr a i s e st o8 3 6 f r o mo r i g i n a l2 2 7，a n d4ts t e e lm a t e r i a l scanb es a v e da n n u a l l y T h e
8、r e s u l t sw i l lp r o v i d eb e n e f i c i a lb a s i sa n ds u c c e s s f u le x p e r i e n c ef o rt h ep r o d u c t i o no fs i m i l a re x t r u s i o np a r t s K e y w o r d s：w a r me x t r u s i o n；d i ed e s i g n；e x t r u s i o nt e c h n o l o g y；f i n i t ee l e m e n ta n a
9、 l y s i s1引言温挤压是在冷挤压和热挤压的基础上发展起来的一种少或无切削塑性成形工艺，它具有优质、高效、耗能少等优点。温挤压的变形温度一般是在静态回复温度以上至静态再结晶温度以下的温度范围内，它在一定程度上兼备了冷挤压与热挤压的优点，同时也减少了它们各自的缺点。这是因为温挤压是将坯料加热到某一温度进行加工，坯料的变形力比冷锻小，成形比冷锻容易，可以采用比冷锻大的变形量，从而减少工序数目，减少模具费用和压力机吨位，还可采用刚性不很大的通用设备，模具寿命也比冷挤压模具的要高很多。另一方面，与热挤压相比，由于其加热温度低，氧化脱碳减轻，产品尺*男，4 2 岁，讲师收稿日期：2 0 0 7
10、0 3 0 5；修订日期：2 0 0 7 0 6 0 5寸公差等级较高，产品的力学性能较高。温挤压技术已经在航空航天、汽车、摩托车、电器、各种线型材等很多工业制造领域广泛应用，而目前在机车制造方面，虽然每台内燃机车需用锻件很多，重达2 0 多吨，涉及七八百种，但应用挤压成形的锻件却微乎其微，因而，在内燃机车用锻件上应用挤压技术生产的潜力很大，很多零件都可以尝试应用温挤压技术来生产。2 保护螺母的温挤压成形工艺分析内燃机用气缸螺栓保护螺母是应用在东风7 型内燃机车1 2 V 2 7 5 型柴油机上的零件，其零件图如图1 所示。从图中可以看出，此件属于典型的杯杆形件，宜采用复合挤压方式成形。2 1
11、 毛坯的选取毛坯选用2 0 号钢圆型毛坯，尺寸为垂7 0 m m 4 3m m，坯料两端面锯切要平齐，采用带锯床下料。万方数据第6 期刘军明等：内燃机用保护螺母温挤压成形模具设计及A N S Y S 分析1 0 3图1 气缸螺栓保护螺母零件图F i g 1S k e t c ho fa i rc y l i n d e rb o l t p r o t e c t e ds c r e w2 2 挤压温度的确定考虑N g-q 牛的变形程度、设备状况、产品的性能、尺寸公差和表面粗糙度等要求，挤压温度定为8 5 0。2 3 模具的预热在加工前，必须对模具进行预热，以免造成模具损坏。一般预热温度为1
12、 5 0 3 0 0，可采用热铁辐射的方法进行预热。即：加热凸模时，把加热用的电阻丝用钢筒套在凸模外面；加热凹模时，把此圆柱体放在凹模腔中，但不要让它们接触。2 4 模具的冷却与润滑模具在5 5 0 6 0 0 以上连续工作时，硬度会急剧下降，强度会显著降低，从而影响模具寿命。如能使模具的温度保持在2 0 0 3 0 0 左右，就可连续生产而不失其性能。润滑对于工件成形和保护模具都起着很重要的作用，同时也能起到防止金属质点粘附在模具上的作用，进而确保能生产出优质的产品和提高模具的使用寿命。为此，选用商业水基石墨润滑剂作为螺栓保护螺母温挤压成形时的润滑剂，该润滑剂还兼有冷却模具的作用。挤压时，应
13、同时辅以压缩空气吹冷。根据以上成形工艺分析，设计了螺栓保护螺母的温挤压件图，如图2 所示。图2 气缸螺栓保护螺母挤压件图F i g 2E x t r u s i o ns k e t c ho f a i rc y l i n d e rb o l t-p r o t e c t e ds c r e w3 温挤压成形模具设计在温挤压模具中，凸模是很关键的零件之一。凸模在挤压过程中，承受的单位挤压力最大，极易磨损与破坏，为此凸模的设计与制造就显得尤为重要。合理的凸模结构设计、合适的工作部分形状可以改善变形金属的流动、减小挤压力、延长模具的工作寿命；凹模则采用预应力多层组合结构，凹模内层的材料采
14、用的是高级合金工具钢制造，而外层则可采用中碳钢制造，这样既可以有效地预防凹模的纵向开裂，提高模具的强度和承载能力，又可节省合金工具钢。根据螺栓保护螺母结构的特点和其温挤压成形工艺的要求，成形所用的凸模设计成阶梯轴型，如图3 所示，而凹模则采用二层组合式，如图4 所示。，一矽一曲荔，15丽g，。醛一兽鹅_5 0 ee一一_，5 止206 5 03 02 4 0,j o1。图3 气缸螺栓保护螺母凸模结构图F i g 3P u n c hs t r u c t u r es k e t c ho fb o l t-p r o t e c t e ds c r e w0 7 1+o0 3兹谬矿：爹，吐
15、巧3 4澎中1 4 2 0 9图4 气缸螺栓保护螺母凹模结构图F i g 4D i es t r u c t u r es k e t c ho fb o l t p r o t e c t e ds c r e w4凹模的A N S Y S 分析根据以往的经验，在实际挤压生产过程中，凹模发生破裂或失效的情形较多。鉴于此，在本设计中采用了大型有限元分析软件A N S Y S 对以上所设计的凹模进行了强度分析，以确保设计的合理性与可行性。在有限元分析过程中，由于该凹模结构是几何对称的，其边界条件也具有对称性，因此，取其1 4 进行分析，以减少计算工作量。该凹模的有限元数学建模及离散化后的模型如图
16、5 所示，离散化所采用的单元是s o l i d 4 5，这种单元既可用于分析结构问题，也适合热力分析。为了提高计算精度，万方数据1 0 4锻压技术第3 2 卷在应力梯度变化大的载荷作用区附近采用了映射方式密划单元，其它区域则采用自由方式划分单元。本模型共划分了1 8 8 4 1 个节点、1 1 6 7 8 个单元。图51 4 凹模离散化后的数学模型F i g 5Q u a r t e rm o d e lo ft h ed i s p e r s e dd i e在A N S Y S 分析过程中，模具所受的约束条件和载荷分布情况按模具的实际工况而定：凹模下底面紧靠下模座，其上各节点的轴向位移
17、设置为零；凹模上表面台阶面是由坚固圈和固定板固定，其上各节点的径向位移和轴向位移均设置为零，其它处无约束。凹模所受的工作载荷是由凸模施加到毛坯上而传递凹模内壁的，在此，仅假设毛坯与凹模接触面处受均布载荷，其值可近似看作是设备的工作压力。由于模具的温度一直保持在2 0 0 3 0 0 之间，温度变化不是很大，因此在计算时，假定材料的性能参数、摩擦条件等不随温度的变化而变化，摩擦条件按库仑定律而定。图6 显示了凹模在挤压过程中的应力分析结果。从图中可以看出，凹模的应力分布是不均匀的，且主要集中在毛坯与凹模内壁的接触附近，有螺纹的角点处的应力值比其它地方的应力要大，变化梯度也较大，但应力的最大值没有
18、超过材料的许用应力值，满足设计要求。根据以上计算分析的结果，结合某机车车辆厂的实际情况和生产条件，根据本设计方案设计并制造了相应的模具，生产出了质量合格的产品，生产效率也满足需要。所生产的气缸螺栓保护螺母如图7 所示。图6 不同时刻下模具的应力分布情况F i g 6D i es t r e s sd i s t r i b u t i o nd u r i n gd i f f e r e n tt i m e s就可节约钢材达4t 多，经济效益十分显著。参考文献：图7 生产的气缸螺栓保护螺母实物图F i g 7R e a la i rc y l i n d e rb o l t-p r o
19、t e c t e ds c r e w5 结束语某铁路机车车辆厂的实际生产表明：所设计的生产气缸螺栓保护螺母的模具结构合理，满足要求。该零件由温挤压工艺生产，其下料重量由原来(自由锻生产)的3 8 5k g 下降为现在的1 3k g，材料的利用率由原来的2 2 7 提高到现在的8 3 6，其外径更是由挤压一次成形，无需再加工，内孔的后续加工量也降为1m m，大大降低了机械加工工作量，节约了机械加工工时。由于其用量较大，若年产1 0 0 台机车，单由螺栓保护螺母挤压生产这一项 1 吴诗淳冷温挤压技术E M 北京：国防工业出版社，1 9 9 5 E 2 3谢建新，刘静安金属挤压理论与技术 M 北
20、京：冶金工业出版社，2 0 0 1 3 洪深泽挤压工艺及模具设计 M 北京：机械工业出版社，1 9 9 5 4 庞祖高，苏广才，夏薇，等影响温挤压模具的寿命因素及对策探讨 J 锻压技术，2 0 0 6，3 1(2)：5 2 5 4 E 5 吴丽平，刘建雄，刘新胜，等基于塑性变形有限元模拟的模具结构优化口 锻压技术，2 0 0 6，3 1(2)：5 5 5 7 6 王彦可，杨永顺，候明，等轴承保持架温挤压模具失效分析口 锻压技术，2 0 0 6，3 1(1)：6 1 6 3 E 7 何利东，张光明模拟技术在大型锻件工艺改进方面的应用E J 锻压技术，2 0 0 6，3 1(6)：1 2 1 6
21、E s 任发才，赵国群，王广春活塞头挤压工艺模具设计与数值模拟优化 J 锻压技术，2 0 0 6，3 1(4)：4 9 5 2 9 夏巨谌，王新云，程俊伟，等A Z 镁合金管材挤压过程的数值模拟E J 锻压技术，2 0 0 5，3 0(2)：4 9 5 2 万方数据内燃机用保护螺母温挤压成形模具设计及ANSYS分析内燃机用保护螺母温挤压成形模具设计及ANSYS分析作者：刘军明，刘汉武，刘韧，LIU Jun-ming，LIU Han-wu，LIU Ren作者单位：华北科技学院,机电系,河北,三河,065201刊名：锻压技术英文刊名：FORGING&STAMPING TECHNOLOGY年，卷(期
22、)：2007，32(6)被引用次数：0次 参考文献(9条)参考文献(9条)1.吴诗淳 冷温挤压技术 19952.谢建新.刘静安 金属挤压理论与技术 20013.洪深泽 挤压工艺及模具设计 19954.庞祖高.苏广才.夏薇 影响温挤压模具的寿命因素及对策探讨期刊论文-锻压技术 2006(02)5.吴丽平.刘建雄.刘新胜 基于塑性变形有限元模拟的模具结构优化期刊论文-锻压技术 2006(02)6.王彦可.杨永顺.候明 轴承保持架温挤压模具失效分析期刊论文-锻压技术 2006(01)7.何利东.张光明 模拟技术在大型锻件工艺改进方面的应用期刊论文-锻压技术 2006(06)8.任发才.赵国群.王广春
23、 活塞头挤压工艺模具设计与数值模拟优化期刊论文-锻压技术 2006(04)9.夏巨谌.王新云.程俊伟 AZ镁合金管材挤压过程的数值模拟期刊论文-锻压技术 2005(02)相似文献(10条)相似文献(10条)1.期刊论文 张慧芳.张治民.ZHANG Huifang.ZHANG Zhimin ZTC4钛合金筒形件等温挤压工艺分析及模具设计-新技术新工艺2009(2)分析了ZTC4钛舍金材料的成型特性,并用MSC/Superform模拟软件对ZTC4钛合金筒形件成型过程进行了模拟.在基于ZTC4钛合金筒形件成型过程中金属流动应力应变分布规律的基础上,结合ZTC4钛舍金时温度敏感的特性,最终得出了ZT
24、C4钛合金筒形件温挤压成型的具体工艺参数及合理的模具设计.2.期刊论文 陈刚.史美霞.张治民.骆庆群.蔡月华.CHEN Gang.SHI Meixia.ZHANG Zhimin.LUO Qingqun.CAI Yuehua 异形轴多向加载温挤压成形工艺及模具设计-热加工工艺2009,38(17)针对某异形轴结构特点,提出了一种新型多向加载挤压成形工艺.对其多向加载工序进行优化,设计和生产了该异形轴的两套模具,使用良好,为该类异形轴零件的挤压工艺分析和模具设计提供参考.3.期刊论文 黄延平 温挤压模具设计的新方法-新技术新工艺2008(7)为了提高温挤压模具在高温高压下使用的寿命,从模具材料的选
25、用、模具热处理方法到模具的加工等方面进行了分析,提出了延长模具寿命的新方法.温挤压技术发展很快,影响模具寿命的因素很多,经多年的研究与探讨发现,只要针对模具结构设计、模具材料、模具热处理、模具机械加工和模具润滑等主要因素根据具体情况正确选择和采用适当的措施,温挤压模具的寿命将会得到成倍提高.对使用这类模具的企业提供参考.4.期刊论文 段亚利.张治民.薛勇.DUAN Yali.ZHANG Zhimin.XUE Yong AZ31镁合金薄壁管材等温挤压工艺分析及模具设计-锻压装备与制造技术2007,42(2)本文通过对AZ31镁合金薄壁管材成形的工艺分析,采用了空心坯正挤压、等温成形的工艺方法,确
26、定了其成形工艺参数,并介绍了该薄壁管材的挤压模具结构设计.5.期刊论文 黄延平.HUANG Yan-ping 温挤压模具设计的新方法-长春工程学院学报（自然科学版）2008,9(1)为了提高温挤压模具在高温高压下的使用寿命,从模具材料的选用、模具热处理方法到模具的加工等方面进行了分析,提出了延长模具寿命的新方法,对使用这类模具的企业提供参考.6.学位论文 王涛 机车杯形件温挤压工艺及模具设计研究与实践 2006 当今的温挤压生产仍停留在凭经验设计阶段，即依据设计者的经验，靠不断试验来设计模具和确定成形工艺。事实上，温挤压生产是一个复杂的、离散性的系统，具有模糊性、随机性的特征。温挤压模具的设计
27、也是一个复杂的、综合分析的、反复进行的过程。需要多学科的专门知识与丰富的经验才能获得一个良好的设计，其中很多工作是非数据计算的不是以数学公式为核心，而更多的是通过思考、推理和判断来解决。在我国机车车辆制造领域，挤压技术，尤其是温挤压技术的应用还比较鲜见。本文旨在以一种机车杯形件为例对温挤压工艺及模具设计进行研究，并利用有限元方法通过ANSYS软件辅助工作，并把结果投入实践生产验证通过。为推动挤压技术在机车制造领域和其他行业中的广泛应用提供了一些参考，具有指导生产和设计的现实意义和显著的经济效益。本文阐述了一种杯形件温挤压工艺及模具设计，对工艺进行了分析，介绍了温挤压模具结构，凸、凹模的设计，以
28、及模具设计时应注意的事项。并采用有限元数值分析的方法，对温挤压模具进行强度校核和结构优化，另外在生产条件下进行了验证，保证了该工艺的可行性，为缩短产品生产周期、节省原材料及大批量生产创造了条件。本课题作了以下几方面研究：1根据螺栓保护螺母零件的特点，确定了其温挤压成形工艺，并给出了其各成形工艺参数；2确定了螺栓保护螺母成形时所需的模具结构，设计出了相应的凸模和凹模零件；3利用大型有限元分析软件ANSYS对所设计的模具进行了强度分析与校核，结果表明，本文所设计的模具是符合要求的，是可行的，实际生产也验证了该结果。7.期刊论文 田福祥.TIAN Fuxiang 钢碗精密温挤压新型模具-模具制造20
29、05(3)介绍了一种精密挤压钢碗的新型模具,挤压时锻件杯口有背压套施压,且依靠背压套限制凸模偏移,解决了孔口高低不平和壁厚不匀的问题,材料消耗显著降低.8.期刊论文 曹宁波.宋文武.Cao Ning-bo.Song Wen-wu 金属材料温挤压成形工艺技术研究-江西能源2009(1)金属塑性成形不仅能够成形形状复杂的零件,而且还能改变零件内部的力学性能,减少后续的机加工工作量,从而降低产品的制造成本,在制造业中得到了广泛的应用,在国民经济中具有重要的作用.本文分析了金属材料的挤压成形加工工艺原理及技术,并以套筒扳手的成形为实例,详细阐述了金属材料成形的工艺性分析、工艺方案选择、工序设计、温挤压
30、力的计算、压力机的选择以及模具结构的设计等.9.学位论文 李更新 圆柱直齿轮温挤压精密成形工艺研究 2004 圆柱直齿轮的精密成形可以分为精密机加工成形和精密塑性成形。精密机加工成形的优点是加工精度很高，但生产成本高，同时加工过程中金属纤维被切断，使齿轮的综合性能受到一定影响。用精密塑性成形工艺生产圆柱直齿轮，具有节材节能、优质高效、产品组织致密均匀、金属纤维分布连续等特点。由于圆柱直齿轮的形状比较特殊，塑性成形比较困难，其精密塑性成形技术目前尚处于起步阶段，对其精密塑性成形方法及成形规律的研究还不深入。本文分析了圆柱直齿轮精密成形的研究现状，针对目前圆柱直齿轮在精密塑性成形中遇到的技术难题并
31、根据圆柱直齿轮的几何特点提出了正向温挤压精密成形工艺，对其精密塑性成形过程中金属的流动规律、模具结构对金属流动的影响等进行深入研究和总结，为优化工艺和模具结构、预测和防止制件缺陷的产生等提供理论依据。本文对圆柱直齿轮的温挤压精密成形工艺进行了深入研究。一方面采用物理模拟验证了工艺方案的可行性，初步总结了圆柱直齿轮正挤压成形时金属的流动规律；另一方面通过数值模拟进一步分析圆柱直齿轮温挤压精密成形过程中的金属流动规律、应力应变分布及缺陷。本文以Pro/e2001为设计平台，以参数化、系列化的虚拟设计理念建立了圆柱直齿轮正挤压凹模模型，以刚塑性有限元理论为基础，以DEFORM3为模拟分析软件，建立了
32、圆柱直齿轮正向温挤压精密成形数值模拟模型，得到了一系列重要成形规律和结论，并对凹模结构进行了优化。根据物理模拟和数值模拟结果，设计了合理的模具结构，并成功地进行了钢质圆柱直齿轮的正向温挤压精密成形实验，结果比较理想，为圆柱直齿轮温挤压精密成形的产业化打下了坚实的基础。本文所提工艺和模具设计具有工艺先进性和技术创新性，为圆柱直齿轮的精密塑性成形提供了新的思路和方法，具有一定理论意义和广阔的应用前景。10.期刊论文 王涛.刘汉武.郝志强.卢艳玲.杜云慧.张鹏 内燃机用螺栓保护螺母温挤压成形模具设计-模具制造2006,6(5)以DF7C型内燃机车锻件中的杯形零件之一-气缸螺栓保护螺母为例,进行温挤压工艺研究,并据此设计出了成形模具.经实际生产证明,所做的工艺理论分析正确可行,模具设计合理,为类似零件提供了参考.本文链接：http:/