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1、用于浮动精锻模中的碟形弹簧的设计作者：上海交通大学 丁旭光 张质良摘要：叙述了精密锻造的优点，提出使用碟形弹簧实现浮动模具工艺。介绍了碟形弹簧的组合方式，并给出设计实例。 关键词：碟形弹簧；精密锻造 一、概述 锻造是机械制造的基础技术，随着机械工业的迅速发展，模锻件的应用越来越广泛，锻件生产向着高精化、高质量、多品种、低消耗、低成本的方向发展1，2，4。 精密锻造采用可分凹模闭式挤压成形，模具先闭合成封闭空间，同时对闭合凹模施加足够强大的压模力，然后由一个或多个冲头(单向或多向)对金属坯料进行挤压成形。这种方法通过一次成形即可获得复杂形状的高精度锻件，目前在世界各国的应用非常广泛1。通过先进的
2、工艺设备、检测手段相配合，已形成了优质高效低耗的精密成形单元或系统，并普遍取代了传统的成形工艺与设备。 国内目前双动压力机较少，必须改造模具以实现浮动模具工艺，采用碟形弹簧是方法之一。 二、碟形弹簧的负荷 在金属变形中，压力机施加的总变形抗力P总等于坯料变形吸收的变形抗力P变与张模力P张(碟形弹簧承受的反抗力P弹)之和(图1)。即： P总P变+P张(P弹)(1) P变pA凸(2) P张p(A投-A凸)(3) 式中p单位挤压力 A凸凸模工作投影面积 A投制件(包括连皮)最大投影面积 图1挤压力分配图 1.上凹模2.下凹模3.垫板4.导柱5.下凸模 6.碟形弹簧7.压模圈8.坯料/制件9.上凸模三
3、、碟形弹簧的组合方式2 碟形弹簧的形状和尺寸如图2所示。 图2碟形弹簧设P为载荷；p为单个碟片承载；H为单个碟片高度；n为每叠碟片个数；F为碟片组总变形量，即行程；f为单个碟片变形量；s为单个碟片厚度；i为每组弹簧叠数；Ho为碟片组高度。 1.对合碟形弹簧组(图3) 特点是变形大，承载小，适于长轴类锻件。 Pp(4) Fnf(5) HonH(6) 图3对合组合方式2.叠合碟形弹簧组(图4) 特点是变形小，承载大，适于短轴类锻件。 Pnp(7) Ff(8) HoH+(n-1)s(9) 图4叠合组合方式3.复合碟形弹簧组(图5) 特点是变形较小，承载较大，适于复杂锻件。 Pnp(10) Fif(1
4、1) HoiH+(n-1)s(12) 考虑摩擦时，按载荷的2%3%计。 图5复合组合方式四、碟形弹簧的设计 1.设计步骤 (1)确定开模力。 (2)考虑模具尺寸和弹簧承载能力，确定弹簧组合形式、组数和每组负荷。 (3)选择CD/d(外/内直径)值：取值范围23.5。国家标准取2。初步确定外径D后，通过C值在文献2中表14-1中查系数、值。 (4)选择h/s(h-极限变形量)值：取值范围0.61.3。太小不能实现行程需要，太大碟形弹簧性能会有变异(翻转)，引起特性曲线的突然改变。 (5)选择fmax/h值：取值范围0.60.75。太小不能实现行程需要。 (6)选择材料：65Si2MnWA，s17
5、00MPa。 (7)计算厚度s：由动载荷情况下的强度校核公式、反算s，取其小者。并由h/s、fmax/h计算h和fmax。 (8)由文献2中式(1418)计算在fmax情况下，该碟形弹簧在强度许可范围内的最大承载力p。 (9)确定每叠碟片个数：nP/p(13) 确定每组叠数：iF/fmax(14) (10)确定每组高度：HoiH+(n-1)s (11)从输出数据中选择合适者作为结果。 以上计算可以通过设计短小计算机程序来完成。 2.设计实例 图6是汽车传动系统中的内星轮零件，采用碟形弹簧闭式锻造工艺。设9.5mm处为分模面，下部型腔无相对运动，在上模装碟形弹簧。设坯料为36.5mm40mm，行
6、程同为24.1mm，总挤压力为2600KN。碟形弹簧基本参数为：D110mmd32.4mmfmax4.1mmf/h0.7p65.1KNH10.8mm。凸凹模尺寸有两种设计方案： 图6内星轮零件简图(1)下模在B处分凸凹模，36.5mm为凸模直径，则坯料变形力为1250KN，分模力为1350KN，碟簧(n,i)(6,6),Ho211.8mm； (2)下模在A处分凸凹模，仅侧鼓投影面积为凹模承载面积，凸模作成镶块式，则坯料变形力为2100KN，分模力为500KN，碟簧(n,i)(2，6)，Ho94.1mm。 不难看出，方案(1)模具较为简单，但碟形弹簧承载较大，尺寸大，工作空间紧张。方案(2)模具
7、较为复杂，而弹簧负载小，尺寸减小很多，性能较稳定。如果零件批量较大，方案(2)是较优的。 碟形弹簧的设计与模具尺寸选择关系密切。合理地选择分模面、凸模最大投影面积等参数将使碟形弹簧的设计最优化。 五、结束语 碟形弹簧的使用可以较为简单地实现浮动模具工艺，但在设计与使用中要注意以下几点： (1)碟形弹簧承载能力较刚性结构与液压结构为小，故适用于小截面制件的制造。 (2)碟形弹簧在动载作用下，易产生塑性变形，性能稳定性较刚性结构与液压结构差，故适用于小批量制件或精度要求不高制件的制造。 (3)碟形弹簧的设计应与凸、凹模设计紧密联系。在尽可能的情况下，增加坯料变形力(增大模具刚性结构投影面积)，减小
8、模具浮动部分的面积，从而减小碟形弹簧承载。这对减小碟形弹簧尺寸有较明显效果。 (4)因压力机闭合高度有限，应根据工作台面尺寸选取大且高度小的碟形弹簧组合。 (5)碟形弹簧的承载实现与行程实现应一致，理论上最大变形时的承载能力与实际许可变形时的承载能力，两者是不一致的。 (6)强度校核时，应用实际最大变形量fmax，而不是预压变形量； (7)获得碟形弹簧参数后，还应与实测(或计算机模拟)所得张模力曲线相比较，以期在变形的各个阶段都能实现封闭。 参考文献 1皇甫骅.先进制造技术和精密成形技术.第5回中日精密锻造论文集，西安，1996：14 2Tomiyama Makoto.Fully enclosed die forge of a cross.第三回中日冷间锻造学术座谈会论文集，北京，1990：9194 3张英会.弹簧.北京：机械工业出版社，1982. 4夏巨谌.闭式模锻.北京：机械工业出版社，1993. 5贾德伟.单、双向通用浮动闭式精锻模具.锻压技术，1991，16(1)：4346(end)
