活塞頭自動(dòng)化閉式鍛造模具設(shè)計(jì)與應(yīng)用

文/宋加兵，王飛，金朝暉·安徽安簧機(jī)械股份有限公司

根據(jù)鍛鋼活塞頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一套適用于自動(dòng)化閉式鍛造模具。該模具中設(shè)計(jì)一種環(huán)形復(fù)合頂料機(jī)構(gòu)，鍛件脫?？煽?，適用于自動(dòng)化鍛造，延長(zhǎng)了模具壽命，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，可以在類似結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的鍛造中推廣應(yīng)用。

鍛鋼活塞組織致密、強(qiáng)度高、可靠性好，在內(nèi)燃機(jī)實(shí)現(xiàn)高壓縮比、提高燃燒效率、減少尾氣排放、提高使用壽命等方面性能優(yōu)于傳統(tǒng)鋁合金壓鑄活塞，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于重型汽車、工程機(jī)械、船用及礦山發(fā)電等領(lǐng)域。鍛鋼活塞按結(jié)構(gòu)形式可分為兩大類，整體活塞和分體活塞。分體活塞由活塞頭、活塞裙兩部分焊接組合而成。國(guó)外某公司研發(fā)的一款活塞頭鍛件(圖1)，年需求量大，經(jīng)分析評(píng)審擬采用自動(dòng)化閉式鍛造方案，其鍛造模具必須進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

常規(guī)模具結(jié)構(gòu)及其不足

適用于手工鍛造的活塞頭閉式模鍛模具設(shè)計(jì)方案(圖2)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和不足表現(xiàn)為：①由于下模型腔有環(huán)槽及內(nèi)凹結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為方便鍛件脫料，將活塞頭部?jī)?nèi)凹局部型腔分割出來(lái)作為頂料的活動(dòng)模芯；②活塞頭鍛造成形結(jié)束時(shí)，下模頂芯向上頂出鍛件，實(shí)現(xiàn)脫料；③在高溫、高壓狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間鍛造生產(chǎn)，下模頂芯與下模芯、模套受熱變形不一致，導(dǎo)致下模頂芯與下模芯之間活動(dòng)間隙變小，造成頂料不暢，生產(chǎn)不能順利進(jìn)行，顯然不適合機(jī)器人自動(dòng)化鍛造。

環(huán)形復(fù)合頂桿模具設(shè)計(jì)及仿真分析

針對(duì)以上問(wèn)題，重新設(shè)計(jì)一種適用于活塞頭部閉式鍛造模具及環(huán)形復(fù)合頂桿機(jī)構(gòu)，以適應(yīng)自動(dòng)線上閉式鍛造對(duì)模具壽命和鍛件脫料可靠性的要求。新設(shè)計(jì)模具(圖3)包括：上模部分、下模部分和頂出機(jī)構(gòu)。

運(yùn)用Deform 軟件分析鍛件成形過(guò)程：⑴棒料經(jīng)加熱、鐓粗和預(yù)鍛成形后，置于終鍛型腔中，其狀態(tài)如圖4 所示。⑵壓力機(jī)上滑塊下行帶動(dòng)上模芯開始向下擠壓預(yù)鍛件，由于受到材料流動(dòng)擠壓，頂環(huán)始終與下模芯緊密配合在一起，以防頂環(huán)受壓產(chǎn)生變形，保證型腔各部位尺寸的穩(wěn)定，其狀態(tài)如圖5所示。⑶鍛件成形后，上模芯隨壓力機(jī)上滑塊上行，同時(shí)壓力機(jī)下底座的主頂桿開始工作，T 形頂桿壓縮復(fù)位彈簧推動(dòng)頂針，頂針與頂環(huán)聯(lián)動(dòng)，頂出成形的活塞頭鍛件，機(jī)械手夾持并取走鍛件。其狀態(tài)如圖6所示。⑷在活塞頭鍛件被夾持的過(guò)程中，頂桿機(jī)構(gòu)開始復(fù)位，T 形頂桿在設(shè)備主頂桿的牽引下會(huì)自動(dòng)復(fù)位，頂針在復(fù)位彈簧的作用下拉動(dòng)頂環(huán)恢復(fù)原位，完成一個(gè)成形、頂出、復(fù)原工作循環(huán)，其狀態(tài)如圖7所示。

結(jié)論

該環(huán)形復(fù)合頂桿結(jié)構(gòu)模具在我公司全自動(dòng)鍛造生產(chǎn)線上得到批量應(yīng)用，具有以下優(yōu)點(diǎn)：⑴活塞頭鍛件在被頂出的過(guò)程中是環(huán)形圈受力，增加了受力面積，有效避免卡模，保證了自動(dòng)化鍛造的順利進(jìn)行，鍛件變形較少、尺寸精度高。⑵環(huán)形復(fù)合頂桿結(jié)構(gòu)能提高鍛件在密閉型腔內(nèi)成形過(guò)程的流動(dòng)性，不用設(shè)計(jì)專門排氣孔道，降低了鍛件成形的難度，提高了模具使用壽命，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約了生產(chǎn)成本。