用于浮动精锻模中的碟形弹簧的设计

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1、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

2、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)最大投影面积图1挤压力分配图1.上凹模2.下凹模3.垫板

3、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。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)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)图4叠合组合

4、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。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

5、(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

6、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：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；

7、(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

8、性结构与液压结构为小，故适用于小截面制件的制造。(2