高壓油管球頭擠壓模具及夾具設(shè)計(jì)

胡兆國(guó)，楊金鳳，冷禎龍

(四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川德陽618099)

圖1所示是某型超高壓手動(dòng)液壓泵上的高壓油管，材料為Q235。該型超高壓手動(dòng)液壓泵的工作油壓達(dá)300 MPa，油管聯(lián)接的密封并無其他密封元件，完全靠油管的凸球面與另一凹球面良好的接觸和壓緊來實(shí)現(xiàn)。由圖1 可知:該油管球頭及反錐面要求冷擠壓成形，冷擠壓時(shí)擠壓力較大，管徑小、管壁薄，如何防止管坯的懸伸部分不失去穩(wěn)定性是一難點(diǎn);另外，反錐面如何擠壓成形又是另一難點(diǎn);再有，零件總長(zhǎng)達(dá)2 000 mm，在壓力機(jī)如何裝夾也得仔細(xì)斟酌。文中主要圍繞上述幾個(gè)問題展開討論。

圖1 高壓油管

高壓油管球頭擠壓模具及夾具設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，現(xiàn)將其設(shè)計(jì)思想分析如下。

1 擠壓方向的確定

圖2 高壓油管球頭擠壓模具及夾具

擠壓的方向有豎直擠壓和水平擠壓。由于該零件長(zhǎng)達(dá)2 000 mm，如果采用豎直擠壓將存在以下3 方面的不足:(1)壓力機(jī)工作臺(tái)下面的高度不夠高，無法將管坯豎直地放下，雖然可以將管坯折彎，但使操作復(fù)雜化;(2)如果采用豎直擠壓，需圖2 下半部分(序號(hào)7 ～11 以外的部分)豎起來，豎起來后，由于高度大大增加，為了增加強(qiáng)度及穩(wěn)定性，勢(shì)必將模具、夾具尺寸增大;(3)如果采用豎直擠壓，管坯將從壓力機(jī)工作臺(tái)下面往上穿過擠壓模具、夾具底座1 的管坯通過孔后再對(duì)其定位夾緊，操作極其不方便。基于上述原因，采用水平擠壓。

2 擠壓模具設(shè)計(jì)

2.1 滑塊移動(dòng)距離的確定

擠壓時(shí)兩滑塊移動(dòng)的距離應(yīng)為管坯沿軸向被壓縮的量，根據(jù)塑性變形前后體積不變的原理即可求出管坯變形前的長(zhǎng)度為16.43 mm，由于管坯變形后的球形部分高度為5.5 mm，所以，管坯沿軸向被壓縮的值應(yīng)為16.43－5.5 =10.93 mm，具體的方法有計(jì)算法、軟件法。計(jì)算法此處不闡述，只說明軟件法。軟件法的方法是(以Creo2.0 為例，Creo 即為原來的Pro/E):用三維軟件Creo2.0 把油管球頭部分的模型建好(圖3(a)、(b))→分析→質(zhì)量分析→點(diǎn)擊眼鏡圖標(biāo)(預(yù)覽的意思)，即可得到模型即油管球頭部分的體積(圖3(c))。

圖3 軟件法

2.2 擠壓時(shí)如何確保管坯沿軸向被壓縮的量剛好是需要的值(10.93 mm)

在模具安裝、調(diào)試時(shí)使上模的斜面與滑塊開始接觸的位置如圖4(a)所示，上模下降推動(dòng)滑塊向右移動(dòng)，結(jié)束的位置如圖4(b)所示，由于上模斜面長(zhǎng)度的水平分量尺寸是10.93 mm，所以，滑塊向右移動(dòng)的距離被準(zhǔn)確控制為10.93 mm，也即擠壓時(shí)確保管坯沿軸向被壓縮的量剛好是需要的值10.93 mm。

圖4 滑塊移動(dòng)的距離

2.3 斜面角度的確定

斜面角度的設(shè)計(jì)一方面要防止自鎖，即要大于自鎖角α=arccotf(f 為兩斜面間的摩擦因數(shù));另一方面要考慮是需要大的推力還是大的移動(dòng)距離。由于冷擠壓需要的擠壓力較大，而此處需要移動(dòng)的距離較小僅為10.93 mm，所以，選擇斜面角度為50°。

2.4 防止滑塊運(yùn)動(dòng)誤差的措施

滑塊在運(yùn)動(dòng)時(shí)可能出現(xiàn)以下兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)誤差:(1)圖5(a)所示滑塊左右蛇形運(yùn)動(dòng);(2)圖5(b)所示滑塊上下蛇形運(yùn)動(dòng)。滑塊這兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)誤差都會(huì)造成管坯懸伸部分在擠壓時(shí)失去穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致生產(chǎn)不出合格的產(chǎn)品，因此必須防止。為了防止圖5(a)所示滑塊左右蛇形運(yùn)動(dòng)這種情況的出現(xiàn)，采取的措施是在安裝左右導(dǎo)軌時(shí)，調(diào)整左右導(dǎo)軌的位置使其緊挨滑塊，但滑塊能運(yùn)動(dòng)。即滑塊的左右側(cè)面與左右導(dǎo)軌之間沒有間隙(但滑塊能運(yùn)動(dòng))，因而就不可能產(chǎn)生左右蛇形運(yùn)動(dòng)。為了防止圖5(b)所示滑塊上下蛇形運(yùn)動(dòng)這種情況的出現(xiàn)，采取的措施是將左右導(dǎo)軌、滑塊在平面磨床上裝夾好后同磨左右導(dǎo)軌、滑塊的上表面(對(duì)圖5(b)而言)，這樣做的目的是使左右導(dǎo)軌的尺寸A 與滑塊對(duì)應(yīng)的尺寸B一致。由于采用了這樣的措施，可以認(rèn)為左右導(dǎo)軌的尺寸A 與滑塊對(duì)應(yīng)的尺寸B 完全一樣，這樣再將左右導(dǎo)軌、滑塊安裝成圖5(b)那樣時(shí)，滑塊就不可能上下蛇形運(yùn)動(dòng)，因滑塊與左右導(dǎo)軌在上下方向之間沒有間隙(但滑塊能運(yùn)動(dòng))。

圖5 滑塊運(yùn)動(dòng)誤差的防止

2.5 成形球頭反錐面凹模的位置確定

成形球頭反錐面的凹模不能固定在下模座上。如果將成形球頭反錐面的凹模固定在下模座上，將得不到符合要求的擠壓部分形狀。其原因在于由于成形球頭反錐面的凹模固定在下模座上，當(dāng)擠壓出圖1 的球面部分后，在滑塊右端面與成形球頭反錐面的凹模之間一定還有一定的距離。如果沒有的話，滑塊就不可能再往右移動(dòng)了，也就不能進(jìn)一步擠壓，球頭反錐面也就不能擠壓成形;如果有的話，在滑塊行程終了之前其右端面與成形球頭反錐面的凹模之間沒有形成一個(gè)封閉的腔室，當(dāng)擠壓出圖1 的球面部分后，進(jìn)一步擠壓時(shí)，變形部分材料的右邊由于沒有受到模具的約束，其形狀是不定的，等到受到成形球頭反錐面的凹模約束時(shí)滑塊的移動(dòng)距離又不夠了(當(dāng)擠壓出圖1的球面部分后，滑塊移動(dòng)的距離是唯一確定的，由反錐面的體積確定，所以，滑塊的移動(dòng)距離又不夠是不能增加的)，所以，成形球頭反錐面的凹模應(yīng)固定在滑塊上(如圖2所示)。

2.6 瓣合凹模管坯通過孔尺寸、公差及加工方法

2.6.1 瓣合凹模管坯通過孔尺寸、公差

瓣合凹模的結(jié)構(gòu)如圖6(a)所示。一方面由于擠壓時(shí)瓣合凹模相對(duì)于被擠壓的管坯是移動(dòng)的，因此，兩半凹模形成的管坯通過孔不能把管坯卡死，致使擠壓時(shí)瓣合凹模相對(duì)于被擠壓的管坯不能移動(dòng);另一方面，兩半凹模形成的管坯通過又不能過大，否則，擠壓時(shí)一部分材料將沿管坯通過與管坯之間的縫隙擠出，進(jìn)而得不到合格的產(chǎn)品;再有管坯的外徑尺寸是在其公差范圍內(nèi)變化的。為能滿足上述要求，管坯通過孔的基本尺寸D 應(yīng)為管坯外徑的基本尺寸加管坯外徑的上偏差;管坯通過孔D 的下偏差應(yīng)為0，上偏差為正。

圖6 瓣合凹模

2.6.2 瓣合凹模的加工

瓣合凹模除去銷孔外其余完全對(duì)稱，為保證其瓣合后直徑為D 孔是一完整的圓柱孔、150°錐面是完整的圓錐面，其主要加工工藝是:先按整體加工成圖6(b)所示形狀→沿圖6(b)對(duì)稱線線切割分開→加工銷孔(圖6(a)中的虛線孔)→淬火→磨結(jié)合面→合攏線切割管坯通過孔→合攏磨150°錐面。

2.7 防止管坯擠壓時(shí)內(nèi)孔被堵住的措施

由于高壓油管內(nèi)是通高壓油的，對(duì)其內(nèi)徑的大小有較嚴(yán)格的要求，因此，不能因?yàn)閿D壓明顯改變其內(nèi)徑的大小，更不能因?yàn)閿D壓而把內(nèi)孔堵死。為防止上述情況的出現(xiàn)，采取的措施是擠壓前在管坯內(nèi)孔中放入型芯4。同時(shí)為防止擠壓后型芯4 從管坯內(nèi)孔中取不出來，將型芯4 設(shè)計(jì)成具有15°的錐面，如圖7所示。

圖7 型芯

3 夾具設(shè)計(jì)

3.1 管坯擠壓時(shí)需要限制的自由度數(shù)

由于沿軸向擠壓，所以，管坯沿軸向移動(dòng)的自由度需限制。又因管坯在擠壓前在前后、上下(方位相對(duì)圖2 而言)的位置必須唯一確定，因此，管坯沿前后、上下兩個(gè)方向的移動(dòng)自由度以及繞前后、上下兩個(gè)方向軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度也需限制。所以，除繞管坯軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度無需限制外，其余5 個(gè)自由度都需限制。

3.2 定位元件的選擇

限制管坯沿軸向移動(dòng)的自由度采用防止管坯擠壓時(shí)內(nèi)孔被堵住的型芯4 作為定位元件，這樣，無需再另外設(shè)置定位元件，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)。限制管坯沿前后、上下兩個(gè)方向的移動(dòng)自由度以及繞前后、上下兩個(gè)方向軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度選用長(zhǎng)V 形塊作為定位元件。長(zhǎng)V 形塊一個(gè)定位元件即可限制管坯沿前后、上下兩個(gè)方向的移動(dòng)自由度以及繞前后、上下兩個(gè)方向軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，共計(jì)4 個(gè)自由度，減少了定位元件的數(shù)量，簡(jiǎn)化了夾具結(jié)構(gòu)。選用長(zhǎng)V 形塊來作為限制管坯沿前后、上下兩個(gè)方向的移動(dòng)自由度以及繞前后、上下兩個(gè)方向軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度的定位元件，不僅可以作為定位元件還可以作為夾緊機(jī)構(gòu)的執(zhí)行元件，又進(jìn)一步簡(jiǎn)化了夾具結(jié)構(gòu)。

3.3 夾緊機(jī)構(gòu)的選擇

由于夾緊管坯的力不是很大，因此，夾緊管坯的動(dòng)力源無需氣動(dòng)或液動(dòng);再有該產(chǎn)品的批量較小，生產(chǎn)效率不是第一位的，降低工藝裝備的成本較為重要，因而，沒必要設(shè)計(jì)制造效率高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高的高效夾緊機(jī)構(gòu)。所以，采用手動(dòng)、螺旋夾緊機(jī)構(gòu)，圖2 中的上V 形塊14 作為夾緊機(jī)構(gòu)的具體執(zhí)行元件。

3.4 快速裝夾的措施

雖然沒必要設(shè)計(jì)制造效率高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高的高效夾緊機(jī)構(gòu)，但是，針對(duì)手動(dòng)、螺旋夾緊機(jī)構(gòu)采用一定的措施仍可以提高其裝夾效率。其措施是將上V 形塊14 的螺母壓緊處設(shè)計(jì)成圖2 的A 向視圖(圖8)的形狀即可實(shí)現(xiàn)快速裝夾。拆卸時(shí)，螺母向上擰出一定的距離，然后向外轉(zhuǎn)成圖2 右邊視圖的位置即可翻轉(zhuǎn)上V 形塊14 進(jìn)行裝夾，為了進(jìn)一步提高裝夾速度，防止夾緊螺桿16轉(zhuǎn)的角度太大而浪費(fèi)時(shí)間，設(shè)計(jì)成只能向外轉(zhuǎn)成圖2的角度。

圖8 圖2 的A 向視圖

3.5 防止管坯擠壓時(shí)后退的措施

管坯擠壓時(shí)沿其軸向的擠壓力較大，克服此擠壓軸向力是靠夾緊后上、下V 形塊對(duì)管坯的摩擦力來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)物理知識(shí)可知，此摩擦力的大小與V 形塊對(duì)管坯的壓力以及V 形塊與管坯的摩擦因數(shù)大小成正比，而V 形塊對(duì)管坯的壓力與螺母擰的松緊有關(guān)，螺母又不能擰得太緊，否則，會(huì)將螺紋擰壞。也即增大此處的摩擦力不能光靠通過增大V 形塊對(duì)管坯的壓力來實(shí)現(xiàn)，還需增大V 形塊與管坯之間摩擦因數(shù)，為此，將V 形塊的工作面做成了網(wǎng)紋表面。

3.6 開模狀態(tài)定位、夾緊元件與瓣合凹模之間距離的確定

開模狀態(tài)下，定位、夾緊元件(上、下V 形塊)與瓣合凹模13 之間距離(開模狀態(tài)下，圖2 中的尺寸L，圖2 畫的是閉模狀態(tài))越大管坯的穩(wěn)定性越小。為了盡可能地減小開模狀態(tài)下，定位、夾緊元件與瓣合凹模13 之間距離以增大管坯的穩(wěn)定性，將上、下V 形塊的左端做出凹坑(見圖2)以容納螺母，并且確定模具閉合時(shí)，定位、夾緊元件(上、下V 形塊)與瓣合凹模13 之間距離(圖2 中的尺寸L)為2 mm，又由于擠壓時(shí)滑塊要向右移動(dòng)10.93 mm，所以，開模狀態(tài)下，定位、夾緊元件與瓣合凹模13 之間距離為12.93 mm。

4 設(shè)計(jì)正確性的驗(yàn)證

根據(jù)前述設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想設(shè)計(jì)制造了圖2所示的擠壓模具及夾具，生產(chǎn)實(shí)踐證明:設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想完全正確，生產(chǎn)出了完全符合要求的零件。圖9 是用圖2所示的擠壓模具及夾具生產(chǎn)出的完全符合要求的零件的照片。

圖9 高壓油管

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