輪盤總成的液態模鍛工藝及模具設計

2015-04-16 07:11:45陳利華王長順李宏偉李永梅

新技術新工藝 2015年7期

陳利華，李順，王長順，李宏偉，李永梅，王成，陳泳

(1.北京北方車輛集團有限公司，北京 100072；2.北京市特種車輛部件先進制造與評估技術中心，北京 100072)

輪盤總成是裝甲車輛行動系統的關重部件，其質量及性能直接影響整個行動系統的質量和整體性能。根據輪盤的結構特性，輪盤總成采用液態模鍛工藝成形。液態模鍛模具是精密、高效和長壽命模具，其對提高生產效率、降低成本和提高質量等方面具有非常現實的意義。本文介紹的輪盤總成液態模鍛模具設計是一個典型的實例。

1 輪盤總成結構特性

輪盤總成由鋼制耐磨圈和鋁合金負重輪基體鑲鑄而成，結構如圖1所示。產品性能要求為抗拉強度Rm≥340 MPa，延伸率δ≥5%，硬度≥110 HBW；尺寸精度為±2 mm。

圖1 輪盤總成圖

2 輪盤總成液態模鍛工藝分析

液態模鍛是一種介于鑄造和模鍛之間的金屬成形工藝，是使注入模腔的金屬在高壓下凝固成型，然后施加機械靜壓力，利用金屬鑄造凝固成型時易流動和鍛造技術使已凝固的封閉硬殼進行塑性變形，使金屬在壓力下結晶凝固并強制消除因凝固收縮形成的縮孔，以獲得無任何鑄造缺陷的液鍛件[1-2]。

普通鑄造法生產輪盤總成強度低，不能保證輪盤總成的力學性能要求；普通鍛造工藝生產輪盤總成雖然成形質量高，但是設備需用噸位大，制件的成品率低，生產效率低，同時普通鍛造工藝生產的輪盤總成機械加工量大，成本消耗多[3]。采用液態模鍛生產輪盤總成，具有如下優勢。

1)液態模鍛件具有優良的組織性能。同常規鑄造件相比，液態模鍛件的力學性能有大幅度的提高，它可以消除制件內部的氣孔、縮孔和疏松等缺陷，使制件在壓力下產生局部塑性變形，形成致密組織[4]。在液態模鍛成型過程中，熔融的金屬液在壓力作用下發生結晶并快速凝固，晶粒得到了細化，組織變得均勻，這是液態模鍛件力學性能高于普通鑄件的主要原因。在較高壓力下，液態模鍛件的力學性能甚至可以達到同種合金的鍛件水平，而且不出現鍛件組織的各向異性。

2)液態模鍛件的材料利用率高。液態模鍛件具有較好的表面粗糙度和尺寸精度，減少了材料浪費和機械加工成本浪費。某型號鋁合金負重輪盤總成毛坯原采用普通鍛造工藝生產，單件質量約為30 kg，改為液態模鍛工藝生產后，單件質量僅為20.5 kg。

3)液態模鍛是在壓力機上進行的，便于實現機械化和自動化，可以減輕工人勞動強度，改善生產環境。

4)液態模鍛兼具鑄造的特性，在成形過程中，鋼制耐磨圈可鑲鑄在鋁合金輪盤總成內側，提高了輪盤總成耐磨性能。

根據上述分析，采用液態模鍛工藝生產輪盤總成是最優工藝。

3 液態模鍛模具設計

3.1 設計指標

設計要求承載組裝的成型模具能夠承受1 900 t壓力而不發生變形；成形型腔能夠承受100 MPa壓強而不斷裂；模具壽命能夠滿足3 000套工件生產。模具結構設計如圖2所示。

圖2 輪盤總成模具裝配圖

3.2 模具設計特點

基于液態模鍛工藝成形輪盤總成結構的特殊性，模具設計包括下模整體內腔收縮率設計、材料設計、下模頂出機構設計、間隙設計(耐磨圈間隙、上模間隙、下模間隙)、上下模整體承載保護(上模承載保護、下模承載保護)和上模復合加載等。

3.2.1 下模型整體內腔收縮率設計

隨著生產過程模具溫度的變化，下模型結構尺寸將發生改變，型腔會隨著溫度的升高而膨脹。為保證制件尺寸始終在合格公差范圍內，模具收縮率設計為1.2%。

3.2.2 模具材料設計

輪盤總成毛坯成型過程需要壓力為1 600～1 800 t,所有力將全部作用于下模總成，因而要求下模總成設計具備足夠的強度。上、下模在使用過程中反復受到740 ℃以上的高溫和冷卻液的冷、熱沖擊，模具表面很容易出現龜裂甚至開裂，因而要求上、下模材料能夠耐受長時間的高溫。基于承載和耐高溫要求，輪盤總成模具材料選用4Cr5MoSiV1高強度耐高溫模具鋼。上、下模外套需要具備高的強度和耐熱性，因而設計材料為4Cr5MoSiV1耐熱模具鋼。碟簧材料選用彈簧鋼；拉桿螺栓由于在生產過程中上、下模具分開時，需具備很大的抗拉強度，因此材料選用38CrSi；其他零件材料為45號鋼。

3.2.3 下模型頂出機構設計

油壓機上滑塊沒有頂出裝置，頂出裝置只能設置在下模型。根據模具結構特點和制件需平穩頂出的要求，在下模型φ190 mm位置設置了4件φ74 mm的頂桿(見圖2)，頂桿配合間隙為0.1 mm。

3.2.4 間隙設計

1)耐磨圈放置間隙設計。生產過程中模具溫度變化很大，型腔尺寸隨著溫度的變化而發生改變，耐磨圈的放置間隙設計不合理將造成耐磨圈浮動或難以裝配。經過計算和試驗，確定耐磨圈放置間隙為0.5 mm。

2)下模與下模外套配合間隙設計。下模外套隨著生產過程模具溫度的變化，下模與下模外套配合間隙發生改變，間隙過大將造成擠壓過程液體溢出；間隙過小造成合模、脫模困難，無法進行連續生產。經過膨脹計算和試驗，并考慮到加工精度，最終確定下模與下模外套配合間隙為0.23～0.28 mm。

3)上模與上模外套配合間隙設計。隨著生產過程中模具溫度的變化，上模與上模外套配合間隙發生改變，間隙過大造成液體擠壓進入配合面使配合面滑動困難；間隙過小造成配合面無法進行相對運動，難以進行實際操作。經過膨脹計算和試驗，并考慮加工精度，最終設計確定上模與上模外套配合間隙為0.23～0.28 mm。

3.2.5 上、下模承載設計

為保證上模型整體承載能力滿足使用需求，設計45號調質鋼輔助增強模板和相同材質的墊板，輪廓尺寸分別為1 150 mm×1 000 mm×120 mm和1 500 mm×1 000 mm×120 mm。輪盤總成毛坯成形過程需要壓力為1 600～1 800 t,所有力將全部作用于下模總成，要求下模總成設計具備足夠的強度。為滿足使用要求，下模材料采用高強度耐高溫模具鋼4Cr5MoSiV1，厚度為120 mm。

3.2.6 上模復合加載設計

復合加載方式是通過調節碟簧的彈性變形量來控制對制件直壁的補縮量。加載前，通過拉桿螺栓調整碟簧的預緊量。當調整預緊量使內上模與上模墊板接觸時，組合上模相當于簡單加載時的整體上模。

調整碟簧的預緊量，使內沖頭離開上模墊板一定的距離S，在這種狀態下進行加載成型，上模下行，內沖頭碟簧力的作用下使金屬充滿型腔，在負重輪盤總成直壁處充滿金屬的高度較零件設計尺寸高出S，繼續加壓，底部開始凝固，內沖頭趨于靜止，碟簧產生壓縮變形，這時外沖頭相對內沖頭向下移動，壓力機的總壓力除克服碟簧力，剩余壓力全部作用在制件正在凝固的直壁處，使其在壓力下凝固；同時將壓力傳遞到最后凝固區熱節處，在加壓的同時，將充填時直壁多出S高度的金屬補縮給直壁和熱節處。通過對直壁和熱節處的局部加載和補縮，并產生一定量的塑性變形，可以提高制件整體致密度和凝固的均勻性，從而提供制件的力學性能。S為補縮量。