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1、 半弦管熱壓模具設(shè)計(jì)論文 1半弦管熱壓模具的制造及熱壓工藝要求 半弦管是細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，在熱壓過(guò)程中既要保證截面形狀準(zhǔn)確，又要保證長(zhǎng)度方向的直線度要求．因此在模具設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先要精確考慮材料收縮率，得到正確的截面形狀，其次要采用適當(dāng)?shù)捻敵鼋Y(jié)構(gòu)，減少工件在長(zhǎng)度方向的彎曲、扭曲等變形按照正常的工作循環(huán)，工件始鍛溫度為900℃，終鍛溫度為750℃．因此一方面要求模具能夠承受高溫，具有良好的高溫硬度、強(qiáng)度和精度．另一方面，要求模具結(jié)構(gòu)能夠保證實(shí)現(xiàn)正常的工作循環(huán)，杜絕因過(guò)程中斷或延時(shí)造成工件溫度過(guò)低引起質(zhì)量事故．受壓力機(jī)的結(jié)構(gòu)限制，工件不能采用傳統(tǒng)的側(cè)面上下料方式．如果從壓力機(jī)端面上下料，則由

2、于工件細(xì)長(zhǎng)，難度很大．如果上料時(shí)間太長(zhǎng)，工件冷卻，不能保證熱壓溫度，會(huì)給壓力機(jī)和模具造成損害，也不能保證工件的成型精度． 2半弦管熱壓模具設(shè)計(jì) 2.1模具的總體結(jié)構(gòu)和熱壓工作循環(huán) 模具由下模(陰模)和上模(陽(yáng)模)組成，模具陰、陽(yáng)模均采用熱作模具鋼5CrNiMo，有上下料、定位、頂出等幾大功能系統(tǒng)．為了滿足前述模具制造和熱壓工藝的要求，模具在總體上采用了模塊化結(jié)構(gòu):沿長(zhǎng)度方向?qū)⒛＞叻殖蓴?shù)段，分段加工，在工作現(xiàn)場(chǎng)組裝．這樣就解決了因毛坯尺寸太大鍛造困難以及數(shù)控加工和運(yùn)輸困難等問題．在壓力機(jī)外專門建有用導(dǎo)軌和壓力機(jī)連為一體的坑道，里面設(shè)置頂出油缸．模具上帶有輪子和驅(qū)動(dòng)裝

3、置，能夠沿導(dǎo)軌自動(dòng)進(jìn)出壓力機(jī)并且自動(dòng)定位，這樣可以實(shí)現(xiàn)在壓力機(jī)外上料和頂出工件．模具在到達(dá)鍛壓位置時(shí)，需要降落，底部和壓力機(jī)臺(tái)面接觸，同時(shí)輪子懸空，而在壓制完成后，需要將模具升起，使得模具底面抬離壓力機(jī)工作臺(tái)，同時(shí)輪子和導(dǎo)軌平齊．這些功能通過(guò)在導(dǎo)軌上設(shè)置液壓控制的活塊實(shí)現(xiàn)．模具工作循環(huán)如下． (1)上料:下模在壓力機(jī)外固定位置，坑道內(nèi)的油缸將頂件器升起，上料叉車將加熱好的鋼板放在升起的頂件器上． (2)鋼板定位:頂件器緩慢落下，鋼板在定位塊內(nèi)側(cè)斜面的導(dǎo)向下，落入定位塊所限定的位置，實(shí)現(xiàn)鋼板對(duì)中定位． (3)下模進(jìn)入壓力機(jī):驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)下模進(jìn)入壓力機(jī)，到達(dá)工作位置后

4、，壓力機(jī)工作臺(tái)導(dǎo)軌上設(shè)置的活塊在薄型油缸的控制下降落，使下模落在工作臺(tái)墊板上．同時(shí)，墊板上的V形定位凸臺(tái)與模具底部的定位槽配合，實(shí)現(xiàn)模具對(duì)中定位． (4)熱壓:壓力機(jī)合模，經(jīng)過(guò)加壓、保壓，完成壓制成型． (5)開模:上模升起，工件留在下模型腔內(nèi)． (6)頂出取件:軌道上的活塊升起與軌道平齊，托起下模，驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)下模到壓力機(jī)外固定位置，頂件器升起，將成型后的半弦管從下模型腔內(nèi)頂出，叉車完成取件，同時(shí)準(zhǔn)備下一塊鋼板上料，至此完成一個(gè)工作循環(huán)． 2.2面向模具制造的設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn) 2.2.1分段結(jié)構(gòu) 根據(jù)工件的長(zhǎng)度，模具總長(zhǎng)度確定為8m．

5、通過(guò)有限元分析計(jì)算，結(jié)合壓力機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸，模具在合模狀態(tài)下的截面確定為1.0m0.9m．模具總重量約56t，其中下模約44t．模具沿長(zhǎng)度方向分成4段，每段2m．每段模具的結(jié)構(gòu)基本相同，減輕了設(shè)計(jì)的工作量．同時(shí)，加工也由單件變?yōu)椤俺山M”，工藝得以簡(jiǎn)化，提高了加工效率和質(zhì)量． 2.2．2端面鍵與耳板結(jié)構(gòu) 各段模具之間采用端面鍵進(jìn)行定位，保證工件在長(zhǎng)度方向的直線度要求，實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的定位安裝．為了使各段模具頂起和落下時(shí)同步動(dòng)作，同時(shí)保證模具的整體強(qiáng)度，各段模具的兩端設(shè)計(jì)有L型連接板，通過(guò)螺栓進(jìn)行連接． 2.2.3整體裝配 各段模具裝配成整體如圖6所示．通過(guò)上

6、述分段結(jié)構(gòu)及定位和連接方式，可以保證模具整體具有足夠的精度和連接強(qiáng)度． 2.3面向熱壓工藝的設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn) 2.3.1型腔及模具截面形狀 半弦管截面尺寸，取工件材料收縮率α=0．55%，計(jì)算得模具型腔截面理論尺寸為Ｒm=Ｒα=222.210.0055=223.43mm．實(shí)際尺寸需要加2mm左右的間隙，型腔截面實(shí)際尺寸確定為Ｒm=225.4mm．以型腔尺寸為依據(jù)設(shè)計(jì)模具截面形狀如圖7所示． 2.3.2毛坯的對(duì)中定位 根據(jù)工件截面圖計(jì)算，毛坯鋼板的寬度為L(zhǎng)=568.15mm．加上適當(dāng)?shù)挠嗔浚鲗挾榷?80mm．經(jīng)計(jì)算，鋼板加熱后，寬度大約為60

7、0mm．在凹模頂面，設(shè)置適當(dāng)數(shù)量對(duì)稱布置的定位塊．定位塊厚80mm，內(nèi)側(cè)有一段斜面起導(dǎo)向作用，兩側(cè)定位塊之間的距離為600mm．定位塊同時(shí)兼做限位器。 2.3.3模具的牽引運(yùn)動(dòng) 下模通過(guò)牽引機(jī)構(gòu)帶動(dòng)，可將模具開出壓力機(jī)，實(shí)現(xiàn)在機(jī)外上料和頂出工件．輪子可以沿著其下方嵌在底板上的導(dǎo)軌滾動(dòng)．模具在壓力機(jī)中的停靠位置處，每個(gè)輪子下的一小段導(dǎo)軌做成活塊，可以上下移動(dòng)．模具需要移動(dòng)時(shí)，通過(guò)下方薄型千斤頂頂起使模具抬起5mm，活塊與導(dǎo)軌平齊，以保證模具順利移出．模具在上料后，運(yùn)行到工作位置時(shí)，千斤頂落下，活塊隨之落下，模具也落下定位，這時(shí)模具下模底面和底板面接觸，輪子處在懸空狀態(tài)，保證上

8、下合模時(shí)不會(huì)使輪子受力而損壞． 2.3.4模具的升降和定位 為了實(shí)現(xiàn)在壓力機(jī)外上料和頂出，需要下模在成型時(shí)落在壓力機(jī)底座，并能夠定位．在頂出及上料時(shí)，又能夠抬離工作臺(tái)，并通過(guò)導(dǎo)軌和輪子，由牽引機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，運(yùn)行到工作臺(tái)外．模具的舉升和降落，由設(shè)置在工作臺(tái)導(dǎo)軌上的16個(gè)活塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，活塊由超薄型油缸驅(qū)動(dòng)。 2.3.5工件頂出機(jī)構(gòu) 對(duì)于長(zhǎng)度達(dá)8m的半弦管，為了能穩(wěn)定地將工件頂出，頂出桿設(shè)計(jì)成如圖11所示的U形結(jié)構(gòu)．U形頂部適當(dāng)?shù)爻龉ぜ庵睆揭欢尉嚯x，兩端頂面形成小平面．頂桿沿軸向均勻地設(shè)置4根，在頂出時(shí)同時(shí)升起，包絡(luò)工件外形，穩(wěn)定地將工件頂離下模型腔．在上料的時(shí)

9、候，頂桿上升到一定高度，由頂桿頂端的小平面承接加熱的鋼板，然后緩慢地落下，由下模上的導(dǎo)向定位塊將鋼板導(dǎo)入定位槽中，實(shí)現(xiàn)毛坯的對(duì)中定位． 2.3.6壓力機(jī)外上下料機(jī)構(gòu) 前文述及，受籠式壓力機(jī)結(jié)構(gòu)限制，從一端送料和出件非常困難，而且由于開模高度的限制，在壓力機(jī)內(nèi)頂出也難以實(shí)現(xiàn)．為了解決這些難題，采用在壓力機(jī)外部上料和頂出，在縮短了上料時(shí)間的同時(shí)保證了工件的壓制溫度，避免由于溫度過(guò)低造成回彈，影響最終成型尺寸，損傷模具和壓力機(jī)． 3結(jié)論 海洋石油鉆井平臺(tái)樁腿半弦管，是生產(chǎn)鉆井平臺(tái)支撐樁腿的重要大型構(gòu)件．長(zhǎng)期以來(lái)，受制于國(guó)外的技術(shù)壟斷，以及模具加工技術(shù)、熱壓設(shè)備

10、和工藝的限制，我國(guó)一直不能實(shí)現(xiàn)完全獨(dú)立自主的生產(chǎn)，而不得不依賴于進(jìn)口．在關(guān)鍵的熱壓模具方面，如果按照目前傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)制造方法，無(wú)論從制造、運(yùn)輸?shù)桨惭b調(diào)試以及精度都無(wú)法滿足使用要求，這就要求我們必須在模具的設(shè)計(jì)方法層面取得突破．本研究根據(jù)我國(guó)企業(yè)的實(shí)際情況，充分利用企業(yè)現(xiàn)有的壓力機(jī)及相關(guān)設(shè)備，在不增加額外投資的基礎(chǔ)上，采用基于面向制造過(guò)程及熱壓工藝的設(shè)計(jì)方法，在模具的設(shè)計(jì)過(guò)程中，針對(duì)大型模具制造過(guò)程中的條件約束，以及半弦管熱壓工藝的技術(shù)要求進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了模具制造并行工程的思想，降低了成本，提高了效率，保證了大型模具制造的成功率，這對(duì)于其他大型模具的設(shè)計(jì)制造也有重要的意義．在具體的設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用模塊化結(jié)構(gòu)，將模具分塊制造，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)拼裝，解決了材料鑄鍛、機(jī)械加工以及運(yùn)輸和安裝不便的難題．另外，采用可移動(dòng)式下模，實(shí)現(xiàn)了在壓力機(jī)外上料和取件，徹底克服了籠式壓力機(jī)的結(jié)構(gòu)缺陷，提高了生產(chǎn)效率．該設(shè)計(jì)方案在相關(guān)企業(yè)得到實(shí)際應(yīng)用，取得了非常滿意的效果． 4