小型圆筒形铜合金零件液态模锻模具设计.pdf

小型 圆筒形铜合金零件液态模锻模具设计 赵宁 李晓刚 刘立现 ( 首钢技 术研 究 院 ) 摘要为实现以液态模锻方式批量生产高质量小型圆筒形铜合金零件 ，对液锻工艺方案和模具冷却系统 进行了设计和分析 ，确定了液锻工艺参数和工艺流程，提出了模具冷却系统设计原则 ，并确定了模具冷却 系统的工艺参数。 关键词 液态模锻筒形铜合金零件冷却系统参数 De s ig n o f Liq u id Fo r g in g M o u l d f o r S ma l l Cy l in dr ic a l Co p pe r Al l o y Pa r t ZHA0 Nin g L I Xia o g a n g L I U Lix ia n ( S h o u g a n g R e s e a r c h I n s t it u t e o f T e c h n o l o g y ) A b s t r a c t I n o r d e r t o ma s s - - p r o d u c e h ig h - q u a l it y s ma l l c y l in d r ic a l c o p p e r a l l o y p a r t s b y u s i n g l iq u id f o r g i ng，t h e pr o c e s s p l a n o f l iq u i d f o r g i ng a n d c o o l in g s y s t e m o f t h e mo u l d we r e d e s i g n e d a n d a n a l y z e dPr o c e s s p a r a me t e r s a nd pr o c e s s flo w o f l iq u id f o r g in g we r e d e t e r min e d De s ig n p r in c ip l e s o f t h e c o o l i ng s y s t e m o f t h e mo u l d we r e p u t f o r wa r d a nd p a r a me t e r s o f t h e c o o l in g s y s t e m we r e d e t e r min e d Ke y W o r d s l iq u id f o r g in g，s ma l l c y l in d r ic a l c o p p e r a l l o y p a r t ，c o o l ing s y s t e m ，p a r a me t e r 很多小型零件通过传统的砂型铸造方式生 产 ，精度往往难以达到要求 ，废品率较高 ，造成 材料浪费。相反 ，采用液态模锻技术生产 ，则有 可能解决这些问题 。液态模锻也称为挤 压铸造 ， 是一种介于铸和锻之间无切削工艺 ，这种材料成 形技术是将熔融的液态金属直接注入模腔 ，然后 施加一定的机械静压力 ，使处于半固态的金属产 生流动凝固，并伴有少量塑性变形的过程 j 。 本课题选用小型 圆筒形零件 ( 衬套 )作 为 研究对 象 ，零件公 差要求很严 ，内孔 上公差 为 + 0 0 9 to n i，下公 差为 0 ，且要去 除加 工表 面； 外径上公差为 + 0 1 2 m m，下公差为 + 0 0 9 m m； 高度上公差为 + 0 2 m m，下公差为 0 。采用液态 模锻工艺 ，内孔尺寸很难直接成形满足要求 ，但 是内外表 面均为加工表面 ，因此可 以留加 工余 量。为使衬套可以通过液态模锻的方式进行批量 优质生产 ，对其模具进行设计 ，并分析解决模具 赵宁 ：硕士 ，工程师。收稿 2 0 1 5 0 9 1 7 设计 中遇到的问题 。圆筒形零件的底面 、侧面 以 及中央孔芯可 以大范围地代表实际液锻件的圆柱 形压室 、模具底面 ( 或压头) 、模腔垂直面和孔 芯等模具 的常见关键部位。因此 ，以圆筒形零件 液态模锻为对象 ，既可以充分代表非 固态加压成 形零件的服役特点 ，又可以充分反映模具结构的 共性问题。 1 液态模锻工艺方案设计 1 1 液锻方式的选择 零件材 质 为铜 合金 ( G C C u S n 7 Z n P b ) ，单 重为 6 2 g ，内径为 1 3 4 m m，外径为 1 9 mm，高 度为 2 5 5 m m。衬套零件 图如图 1所示。 由于零件体积较小 ，采用直接液锻 ，浇注难 度大 ，而且因浇注量的波动使尺寸精度无法满足 要求。因此采 用问接液锻 的方式 ，每模 2 4个 ， 沿圆周均 布。这 样 ，每模 的浇 注量 可 达约 1 5 k g ，浇注容易 ，且很容易保证尺寸精度。 图 1 衬套零件 图 1 2 液锻工艺参数的计算 1 2 1 液锻力的计算 液锻力是模具设计及设备选择 的重要参数 ， 计算液锻力需要先确定 比压力。比压力 P ( 单位 为 MP a )的计算式为 ： P=K 1 K 2 ( 1 ) 式中：K 。为合金种类 系数 ；K 2为液锻方式 系数 ，取 2 。 对于铜合金 ，K 1 为 6 0 MP a ，则 比压力 P为： P= K 1 = 6 0 2=1 2 0 ( MP a ) 则每个零件的液锻力 P n为 ： P 0 =P A 0 ( 2 ) 式中：A 。为与 P 。垂直 的受压面投影面积 。 0取 1 7 7 m m ，则 P o为 ： P 0 =1 2 01 7 7= 2 1 2 ( k N) 则 2 4个零 件 的总液锻力 为 5 0 8 8 k N 。可 见 ，所需液锻机 的公 称压力 只需 大于 1 0 0 0 k N 即可 。 1 2 2 合模力的计算 。 4 对于可分凹模 ，为防止液锻时合金液从分模 面喷出 ，则必须有足够大的合模力。合模力 P 会 ( 单位为 k N)的经验公式如下 ： P合 =5 Po 则每个零件 的合模力 P 会为： P 合= 52 1 2=1 0 6 ( k N) 于是 2 4个零件 的总合模力为 2 5 4 4 k N。可 见 ，所需压机的压下力应大于 3 0 0 0 k N。 1 2 3 浇注量的计算 熔融 的铜液需要对模腔和流道进行填充，因 此可以分 2 4个模腔体积和流道体积 2部分进行 计算 。2 4个模腔体积 。和流道体积 的计算 式分别如下 ： V 1 =w n h ( R 一r ) ( 3 ) v 2 =n a b l ( 4 ) 各式中：n为每模零件数量 ；h为模腔的高 度；R为模腔的外径 ；r为模 腔的内径 ；a为流 道的宽度 ；b为流道的高度 ；f 为流道的长度 。 模腔尺寸按 0 5 m m 的加工余量和 0 1 m m 的收缩率进行计算。模腔的高度为2 6 m m、外径 为 1 9 6 m m、内径为 1 2 6 m m，流道的宽度为 6 mm、高度为 5 mm、长度为 8 2 m m，则所需铜液 的总体积 为 ： V =V I + = 3 1 4 x 2 4 x 2 6 X ( 1 9 6 2 ) 一 ( 1 2 6 2 ) + 2 4 6 5 8 2 = 1 1 0 4 6 6+ 5 9 0 4 0=1 6 9 5 0 6 ( m m ) 考虑到实际浇注时会产生一定误差 ，实际浇 注量为 21 0 m m 。 1 3 液态模锻模具方案 通过对衬套 的液态模锻工艺进行分析计算 ， 设计得到其液态模锻模具结构如图 2所示。 1 一 模腔 ；2 - 压头 ；3 - 抽芯杆 ；4 一 压室 ； 5 一 下模冷却水道；6 一 型芯； 7 一 上模冷却水道 图2衬套液态模锻模具结构示意图 模具包括上模芯 、上模套 、上模 固定板、下 模芯、下模套、下模固定板、支铁、压头、压 室 、油缸 以及冷却水道等部件 。采用垂直位置成 形 ，浇 口位于模腔下端 ，切线引入。液锻工艺流 程为 ：先把铜液浇至压室 4中指定高度处 ，而后 压头 2推动铜液开始充型 ，充型完成后 ，工件全 部在上模腔 1内，中孔芯在下模 内，开模时工件 自动脱模并留在下模腔内，然后油缸拉动抽芯杆 3并带动型芯 6向下抽芯取件。 另外 ，压室 4的直径 D 与浇注前铜液在压 室 中的高度 日不能相差太大 ，即 D H要约等于 1 。无论 比值过大还是过小 ，铜液的散热面积都 会增大 ，在浇注前会有大量铜液发生凝 固，从而 阻碍充型，因此须对压室直径进行确定 。 令 ： 盯 H( D 2 ) 2=V H =D 解得 ： H=D=6 3 4 ( f i l m) 取整得 ： D=6 5( mm) 则由此可以得出浇注前压室中铜液的实际高 度应为 6 0 4 m m。 2 模具冷却系统分析 小型圆筒形铜合金零件的导热系数较大 ，所 以模具 的冷却至关重要 。模具冷却系统的根本 目 的在于控制模具温度 ，其具体 目的表现在以下 3 个方面： 1 )保护模具 ，防止粘膜 ，提高模具寿命。 2 )调整零 件凝 固顺序 ，防止缩孔 或缩松 ， 获得致密工件。 3 )加速凝 固，提高生产效率 ，降低成本 J 。 小型圆筒 型铜合金零 件结构简单 ，壁厚 较 小 ，导热系数较大，所 以其模具冷却系统的主要 目的为保护模具 ，防止粘膜 ，以提高模具寿命 6 。 模具冷却系统 的设计一般遵循以下原则 ： 1 )水槽位置。水路距模腔壁距离一般不能 小于水路直径的 2 3倍。水路间距 为水路直径 的 3 5倍较好。对于大中型复杂模具 ，应 以每 个浇口为中心分区域冷却 J 。 2 )水的流向。水路中冷却水的流向与熔体 流动方 向应一致 ，以便最大效率地带走热量 ，同 时有利于熔体的充填 ( 流动末端模温过低不利 于熔体充填) E s 。 3 )模具外围冷却水管直径。模具外围冷却 水管的直径要大于或等于模具 内水路的直径 J 。 4 )直通水道直径。直通水道直径一般为 1 0 1 6 mm，点冷式水道直径为与其相连的直通水 路直径的 1 4 5倍左右 。 5 )冷却水流速。确保水流是湍流状态 ，即 雷诺数 m 要大于 4 0 0 0，即 ： Re=o J d , 4 0 0 0 式中：0 9 为冷却水流速；d为冷却水道特征 长度 ； 为冷却介质的运动粘度 ，2 0 水 的运 动粘度为 1 1 0 m s 。 根据 以上原则确定模具冷却系统采用环状循 环水槽冷却方式 ，衬套模具冷却系统局部结构如 图 3所 示 。 4 1 一 模腔 ；2 - 上模冷却水道进水 15；3 - 上模冷却水腔 ； 4 一 下模冷却水腔 ；5 - 下模冷却水道进水 口 注 L下模冷却水道进水 | 1 冷却水 流速均 为 0 3 m s ， 水 流量均 为 4 51 0 I 4 m s 。 图 3 衬套模具冷却 系统局部结构示意图 为保证水流为湍流流动 ，冷却水流速度应不 小于