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制动锥鼓锻造工艺与模具设计

作者:洛阳机械加工 日期:2021-08-14 16:33:47 点击数:

      制动锥鼓锻造工艺与模具设计。

      随着我国经济的飞速发展和科技的进步,电梯随着高层建筑的增多已经越来越普遍存在于我们的生活当中,电梯的安全问题越发的引起了人们的重视。防坠安全器(图1)是电梯升降机配备的最重要的安全保护装置,是在电梯超速下行或坠落时的最后道安全保护措施。在电梯所有安全装置失效的情况下,电梯呈自由落体状态,当下降速度达到正常运行速度的6倍时,安全器动作,锥鼓锁死,靠输出齿轮与齿条制动,同时控制电路断电。作为电梯的保安关键件,锥鼓原先为铸件,曾在电梯坠落过程中破裂而失效过,现在逐步改为锻件。 锥鼓为精密模锻件,尺寸精度较高机械加工余量少。锥鼓属具有深孔薄壁特征形状较复杂的肋腹锻件。在主轴方向上截面形状变化剧烈,因此,锻造难度较大。锻造过程中cnc雕刻刀加工容易受到不均匀热收缩变形氧化皮影响,精化部位的非加工尺寸精度更难保证。 图2所示为我公司承制的某型号锥鼓。锻件重15kg,材质为42CrMo,包容体尺寸φ234mm×218mm,沿主轴方向截面尺寸变化剧烈从φ42mm→φ200mm→φ125mm(锻件的复杂因数为S4)。锥鼓内壁均为非加工面,拔模斜度仅为0.8°。 锻件的内外壁同轴度要求≤0.5mm。该锻件分模面严格说是冲头曲面,出模困难,锻件容易粘在冲头上。锻造精度要求高,只能火成形,没有火锻造可能,因为锥鼓内壁的个纵向键在火很难重合,锻造充填难度大。 α与模锻方式有关的系数,开式模锻该值为4;F螺旋压力机成形力(N);S锻包括毛边在内的锻件在分模面上的投影面积(mm2);V锻锻件体积(mm3);σs锻件在终锻温度下的屈服极限(MPa),通常可用同温度下的强度极限σb代替。上式适用于打击次成形所需的设备吨位,若采用2~3次打击成形,则应按计算值减少1/2。考虑在摩擦压力机上只通过2次打击成形,σs按终锻温度900℃取值55MPa;S锻=57415mm2;V锻≈mm3;把参数代入公式,经计算,F≈24860kN。 故可选用2500t摩擦压力机。⑴终锻型腔。锥鼓为轴对称变形的短轴类回转体锻件,可采用闭式溢毛边模锻锻造。通过溢出少量毛边,可以提高薄壁上口的成形条件,锻件容易充满。 只设计终锻型腔,直接锻造成形。⑵增加定位凸台。锻件为回转体,在锻件结构上缺少在模具型腔定位的结构,容易在锻造过程中在下模内旋转,在锥鼓内壁产生折叠。在分模面桥部位置设计定位凸台耳朵(见图3红色标示位置)。 后续在切边工序,将增加的凸台切除。⑶增加镶块结构。锥鼓的内壁为非加工面,产品质量要求高。 而模具的冲头部位,是材料流动的主要域。因金属变形流动,在模具表面产生激烈的摩擦,容易引起模具失效,造成锻件的形状尺寸和表面质量不符合要求。将模具的冲头用H13材料单独做成镶块(见图4)。 H13材料在较高温度时具有较好的强度和红硬性,高的耐磨性等特点,能保证模具冲头寿命。在模具出现失效时,更换方便,提高生产效率。而且将上模的冲铝零件加工厂头做成镶块,能提高模具的加工效率,减少模具材料损耗。⑷增加杆部摩擦力。 锥鼓壁厚较薄,内壁斜度为0.8°,生产过程中容易出现热收缩而产生锻件粘冲头出模困难等情况。造成生产中断和模具提前失效等后果。考虑设备有顶出机构,可增加锻件在下模型腔的摩擦力,让锻件粘在下模,由顶杆将锻件顶出,即可解决粘上模的情况。将锥鼓下端的杆部的拔模斜度设计成1°。 在实际生产中,杆部的接触面过小,阻力达不到预期效果。因此将锥鼓杆部恢复图纸要求,内壁外侧10mm位置的拔模斜度设计成1°(图5)。利用金属塑性成形仿真软件DEFORM3D,对工艺和模具进行仿真分析。模拟初始条件设置如下锥鼓材料为4140;坯料规格为φ110mm×175mm;坯料温度为1180℃;设备为2500t摩擦压力机。 坯料为塑性体,模具为刚性体;摩擦系数为0.3;坯料与空气换热系数取为0.02N/(s·mm·℃),模具与坯料之间的热传递系数取为11N/(s·mm·℃),模具与空气换热忽略不计。依次按工艺分两阶段进行模拟是自由锻镦粗至H=56mm;是模锻成形。镦粗阶段成形简单,现主要分析锻造成形过程。由图6可知,锻造最大的成形载荷为2440t,2500t摩擦压力机能满足生产需要。 仿真结果表明,采用现行的锻造工艺方案和模具,模拟效果好,锻件的模拟结果满足要求。分析图6温度分布可知,变形过程中,锻模首先与坯料接触,在锻打初始阶段,这部分坯料由于与模具接触,热损耗较大。锻打结束后,锥鼓由正挤压杆部和反挤压锥鼓内壁等方式填充模膛。变形热和摩擦产生的热量较大补偿了温度损失,因此温度下降较少。 锻打完成后,锻件整体温度仍然较高,毛边温度在900℃以上,能够满足后续热切边工艺对锻件温度的要求。分析图6锻造载荷曲线可知,曲线可分为缓慢上升和急剧上升两个阶段,成形开始后锻造载荷缓慢上升,直到接近成形终了时第锤的载荷急剧上升,锻打结束时最大载荷达到2440t。第锤模拟结束时,坯料主要以挤压方式充填模具型腔,在锻造后期,变形金属外流至毛边桥部时会受到强烈的阻碍作用,载荷随上模行程增大而急剧增大。图7为锥鼓锻造过程中坯料速度场分布图。 从图中可以看出,坯料主要以挤压方式成形,材料充填比较容易,在锻造后期桥部附近的外流金属受到强烈阻碍作用,转而流向未充满的锥鼓内壁上口的圆角部位。整个阶段锻件填充饱满,质量良好。实际生产过程,坯料经过自由锻镦粗后,在终锻模型腔内经过2锤锻打成形。模具投入使用后,该锻件已经进入批量生产验证,尺寸满足图纸要求,质量稳定,产品合格率达到99%以上,材料利用率达到85%。 图8所示为切边工序结束后的产品实物和锻件的晶粒度照片。

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