半弦管热压模具设计论文

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1半弦管热压模具的制造及热压工艺要求

半弦管是细长结构，在热压过程中既要保证截面形状准确，又要保证长度方向的直线度要求．因此在模具设计过程中，首先要精确考虑材料收缩率，得到正确的截面形状，其次要采用适当的顶出结构，减少工件在长度方向的弯曲、扭曲等变形按照正常的工作循环，工件始锻温度为900℃，终锻温度为750℃．因此一方面要求模具能够承受高温，具有良好的高温硬度、强度和精度．另一方面，要求模具结构能够保证实现正常的工作循环，杜绝因过程中断或延时造成工件温度过低引起质量事故．受压力机的结构限制，工件不能采用传统的侧面上下料方式．如果从压力机端面上下料，则由于工件细长，难度很大．如果上料时间太长，工件冷却，不能保证热压温度，会给压力机和模具造成损害，也不能保证工件的成型精度．

2半弦管热压模具设计

2.1模具的总体结构和热压工作循环

模具由下模(阴模)和上模(阳模)组成，模具阴、阳模均采用热作模具钢5CrNiMo，有上下料、定位、顶出等几大功能系统．为了满足前述模具制造和热压工艺的要求，模具在总体上采用了模块化结构:沿长度方向将模具分成数段，分段加工，在工作现场组装．这样就解决了因毛坯尺寸太大锻造困难以及数控加工和运输困难等问题．在压力机外专门建有用导轨和压力机连为一体的坑道，里面设置顶出油缸．模具上带有轮子和驱动装置，能够沿导轨自动进出压力机并且自动定位，这样可以实现在压力机外上料和顶出工件．模具在到达锻压位置时，需要降落，底部和压力机台面接触，同时轮子悬空，而在压制完成后，需要将模具升起，使得模具底面抬离压力机工作台，同时轮子和导轨平齐．这些功能通过在导轨上设置液压控制的活块实现．模具工作循环如下．

(1)上料:下模在压力机外固定位置，坑道内的油缸将顶件器升起，上料叉车将加热好的钢板放在升起的顶件器上．

(2)钢板定位:顶件器缓慢落下，钢板在定位块内侧斜面的导向下，落入定位块所限定的位置，实现钢板对中定位．

(3)下模进入压力机:驱动装置带动下模进入压力机，到达工作位置后，压力机工作台导轨上设置的活块在薄型油缸的控制下降落，使下模落在工作台垫板上．同时，垫板上的V形定位凸台与模具底部的定位槽配合，实现模具对中定位．

(4)热压:压力机合模，经过加压、保压，完成压制成型．

(5)开模:上模升起，工件留在下模型腔内．

(6)顶出取件:轨道上的活块升起与轨道平齐，托起下模，驱动装置带动下模到压力机外固定位置，顶件器升起，将成型后的半弦管从下模型腔内顶出，叉车完成取件，同时准备下一块钢板上料，至此完成一个工作循环．

2.2面向模具制造的设计方案及实现

2.2.1分段结构

根据工件的长度，模具总长度确定为8m．通过有限元分析计算，结合压力机的结构尺寸，模具在合模状态下的截面确定为1.0m×0.9m．模具总重量约56t，其中下模约44t．模具沿长度方向分成4段，每段2m．每段模具的结构基本相同，减轻了设计的工作量．同时，加工也由单件变为“成组”，工艺得以简化，提高了加工效率和质量．

2.2．2端面键与耳板结构

各段模具之间采用端面键进行定位，保证工件在长度方向的直线度要求，实现快速、准确的定位安装．为了使各段模具顶起和落下时同步动作，同时保证模具的整体强度，各段模具的两端设计有L型连接板，通过螺栓进行连接．

2.2.3整体装配

各段模具装配成整体如图6所示．通过上述分段结构及定位和连接方式，可以保证模具整体具有足够的精度和连接强度．

2.3面向热压工艺的设计方案及实现

2.3.1型腔及模具截面形状

半弦管截面尺寸，取工件材料收缩率α=0．55%，计算得模具型腔截面理论尺寸为Rm=R×α=222.21×0.0055=223.43mm．实际尺寸需要加2mm左右的间隙，型腔截面实际尺寸确定为Rm=225.4mm．以型腔尺寸为依据设计模具截面形状如图7所示．

2.3.2毛坯的对中定位

根据工件截面图计算，毛坯钢板的宽度为L=568.15mm．加上适当的余量，毛坯宽度定为580mm．经计算，钢板加热后，宽度大约为600mm．在凹模顶面，设置适当数量对称布置的定位块．定位块厚80mm，内侧有一段斜面起导向作用，两侧定位块之间的距离为600mm．定位块同时兼做限位器。

2.3.3模具的牵引运动

下模通过牵引机构带动，可将模具开出压力机，实现在机外上料和顶出工件．轮子可以沿着其下方嵌在底板上的导轨滚动．模具在压力机中的停靠位置处，每个轮子下的一小段导轨做成活块，可以上下移动．模具需要移动时，通过下方薄型千斤顶顶起使模具抬起5mm，活块与导轨平齐，以保证模具顺利移出．模具在上料后，运行到工作位置时，千斤顶落下，活块随之落下，模具也落下定位，这时模具下模底面和底板面接触，轮子处在悬空状态，保证上下合模时不会使轮子受力而损坏．

2.3.4模具的升降和定位

为了实现在压力机外上料和顶出，需要下模在成型时落在压力机底座，并能够定位．在顶出及上料时，又能够抬离工作台，并通过导轨和轮子，由牵引机构驱动，运行到工作台外．模具的举升和降落，由设置在工作台导轨上的16个活块来实现，活块由超薄型油缸驱动。

2.3.5工件顶出机构

对于长度达8m的半弦管，为了能稳定地将工件顶出，顶出杆设计成如图11所示的U形结构．U形顶部适当地超出工件外直径一段距离，两端顶面形成小平面．顶杆沿轴向均匀地设置4根，在顶出时同时升起，包络工件外形，稳定地将工件顶离下模型腔．在上料的时候，顶杆上升到一定高度，由顶杆顶端的小平面承接加热的钢板，然后缓慢地落下，由下模上的导向定位块将钢板导入定位槽中，实现毛坯的对中定位．

2.3.6压力机外上下料机构

前文述及，受笼式压力机结构限制，从一端送料和出件非常困难，而且由于开模高度的限制，在压力机内顶出也难以实现．为了解决这些难题，采用在压力机外部上料和顶出，在缩短了上料时间的同时保证了工件的压制温度，避免由于温度过低造成回弹，影响最终成型尺寸，损伤模具和压力机．

3结论

海洋石油钻井平台桩腿半弦管，是生产钻井平台支撑桩腿的重要大型构件．长期以来，受制于国外的技术垄断，以及模具加工技术、热压设备和工艺的限制，我国一直不能实现完全独立自主的生产，而不得不依赖于进口．在关键的热压模具方面，如果按照目前传统的模具设计制造方法，无论从制造、运输到安装调试以及精度都无法满足使用要求，这就要求我们必须在模具的设计方法层面取得突破．本研究根据我国企业的实际情况，充分利用企业现有的压力机及相关设备，在不增加额外投资的基础上，采用基于面向制造过程及热压工艺的设计方法，在模具的设计过程中，针对大型模具制造过程中的条件约束，以及半弦管热压工艺的技术要求进行总体设计，实现了模具制造并行工程的思想，降低了成本，提高了效率，保证了大型模具制造的成功率，这对于其他大型模具的设计制造也有重要的意义．在具体的设计过程中，采用模块化结构，将模具分块制造，在生产现场拼装，解决了材料铸锻、机械加工以及运输和安装不便的难题．另外，采用可移动式下模，实现了在压力机外上料和取件，彻底克服了笼式压力机的结构缺陷，提高了生产效率．该设计方案在相关企业得到实际应用，取得了非常满意的效果．

作者:郭忠侯志刚应华于涛单位:烟台大学机电汽车工程学院