新型预应力结构镦粗模

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1  普通结构的镦粗模
　　硬质合金镦粗模的凹模寿命与建立预应力结构有关。硬质合金凹模块是通过冷压或热压法，使各圈之间建立预应力，从而形成组合式凹模，如图1所示。

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图1  镦粗轴承滚柱用的凹模
1.凹模座  2.外圈  3.硬质合金垫块  
4.硬质合金凹模块  5.中间圈

　　这种预应力凹模的缺点是：结构复杂、制造工作量大、线性尺寸和角度精度高，且预应力圈不能多次利用，因金属产生蠕变，联接表面的几何尺寸和形状逐渐在变化。
; q8 c% {+ I7 p　　图2所示为镦粗六角头螺钉用的凹模。六角头是在硬质合金凹模块2和3内成形的。使用时最早失效的就是这2个凹模块，而最早的是凹模块2。在修理时常需将所有凹模块压出，然后换成新的。因凹模块3、4磨损较小，还可利用，这样不可避免将产生各凹模块间的同轴度偏差。受载最大的是凹模块2和3，要保证它们的最佳过盈量甚为困难。

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图2  镦粗六角头螺钉用的凹模
7 \. F# p7 M8 _# I1.外圈  2、3、4.硬质合金凹模块

　　本文介绍一种采用塑性圈建立预应力结构的凹模，经工厂长期使用，效果很好。
2  采用塑性圈的预应力凹模
' a7 v+ F, e7 y. N1 V  e　　采用塑性圈建立预应力的实质在于将塑性圈(中间圈)压入硬质合金凹模块和外圈之间，并镦粗，从而建立预应力结构的硬质合金凹模。
　　在图3a所示的凹模中，硬质合金凹模块2是用冷压或热压法压入外圈1内的。必须指出，在多次利用外圈时，所有凹模块(见图2)应采用冷压法压入，因在热压后它们不能被压出。由于图2所示凹模块内的过盈量往往小于所需过盈量，故降低了凹模的寿命。图3a所示的凹模块2是用于成形螺杆的，故它们的磨损一般很小，修理时可不必压出。因此在该凹模内，凹模块和外圈之间的过盈量可达最佳。为减少凹模块4、5相对凹模块2的同轴度误差，装配时必须采用带螺纹的定心芯棒3，然后将塑性圈6压入凹模块4、5和外圈1之间的锥形槽内。然后将塑性圈6镦粗，使外圈在卸荷后承受切向拉伸，而凹模块承受压缩。拉伸和压缩程度还决定着实际过盈量。过盈量则与P的大小有关。因此，过盈量可在较宽范围内调节，无需采用精确的研磨和磨削工序。
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图3  采用塑性圈建立预应力的凹模
6 ^3 K0 P3 }& |. x. D3 u" ua——预装配  b——装配后的凹模
1.外圈  2、4、5.硬质合金凹模块  
3.定心芯棒  6.塑性圈

　　图3b所示是用塑性圈装配后的凹模。塑性圈6与外圈1在凹模块4、5区内将形成组合式圆筒体，其较图2的单一外圈有较大的径向刚度，并且可使凹模块建立良好的工作条件。
　　塑性圈的镦粗分2次进行。第一次镦粗至高度h1=2～3mm的凸边(见图3b)。然后，在凸边上沿A线车α=30°角的槽，再进行第二次镦粗。这时，实际上就是建立预应力结构。当凹模块5上的凸边较大时，应进行车端面，但应留1～1.5mm余量，以用于第二次镦粗和后续卸荷后保证凹模块的轴向应力。
　　在图3所示的凹模中，为保证凹模块的轴向应力，在外圈下部设有环形凸台，而在上部设有倒锥体。工艺性较好的还有在下部做成带倒锥体的锁口，因外圈和凹模块的锥面无需精加工。这可显著降低凹模的制造工作量和设备的精度等级。在外圈内和沿凹模块外表面的锥角β，变化范围为3°～20°。在每种具体情况，锥角大小必须按试验结果进行论证和修改，特别对受载大的镦粗凹模。
; X% Z1 p0 r) l8 `: Q+ o& E+ {　　增大锥角β将导致凹模块4、5产生较大的轴向压缩，这可防止被镦粗金属流入其间。同时，在镦粗工件的变形力作用下，凹模块相对外圈将产生轴向弹性位移，过盈量减小得较快。因此，在重型动载荷情况下，推荐锥角β=5°～8°，如镦粗轴承滚柱用的凹模。为防止凹模块5崩刃和脱落，β角取10°～20°。但是，在所有情况下，选取的锥角应保证塑性圈压入锥形槽内不产生破裂。
3 o- u& C, t) U5 [5 q% ^3  参数计算
　　当凹模块不需要轴向应力时，锥角β可等于零，如图4所示。在镦粗塑性圈2时，压力P应足够大，使所有元件卸压和弹性变形后过盈量Δ等于预先给定值。必须指出，由于摩擦力的影响，在x深度上的压力Px将小于P值。在x截面内，压力减小系数kx可按下式计算：
, v  L# l9 X: m7 o* R8 l* J

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式中　f1——沿表面r1的摩擦系数
　　　f2——沿表面r2的摩擦系数

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图4  装配塑性圈时的压力示意图
1.外圈  2.塑性圈  3.硬质合金凹模块

在分析凹模块、塑性圈、外圈系统内的应力和应变时，获得了计算压力值的下列公式：
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式中
0 R( D& U' H9 C- g8 a# Q7 s" C

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Δx——在x截面内的过盈量值
7 u; U, m! a  W& F　　E1——凹模块材料的正弹性模量
　　E2——外圈材料的正弹性模量
　　E3——塑性圈材料的正弹性模量
　　V1——凹模块材料的泊松比
　　V2——外圈材料的泊松比
0 f/ q2 x7 \3 k; N, @　　V3——塑性圈材料的泊松比
　　σt——塑性圈材料的假定屈服极限
　　公式(2)中k1=r0/r1，k2=r2/R已考虑了在卸载后塑性圈的弹塑性状态及其对尺寸和过盈量的影响，这时假设压力P沿厚度均布。
　　从式(1)和式(2)可见，必须保证给定过盈量  Δx的深度x愈大，则必须施加的压力P愈大。但是，这意味着在塑性圈配置槽的入口上(当x=0时)过盈量将大于给定值。这可能导致外圈或凹模块的破坏。因此，在计算压力P时，应计算塑性圈的中间截面x=0.5h上的Δx。
　　经生产试验证实，上述方法完全适合生产要求。它可消除硬质合金凹模块的切向破裂，并可提高凹模的寿命1～8倍。

4  预应力凹模的装配
　　为用塑性圈装配凹模，塑性圈的材料应采用这样的钢种，即在硬度为40～49HRC时应具有必须的塑性。完全满足这要求的钢种是40Cr,30CrMoSi等。塑性圈的壁厚一般取(0.2～0.5)h，它应比配置槽的尺寸小0.2～0.5mm。与塑性圈联接的所有表面，无需磨加工，一般精车已足够，且硬质合金凹模块的外表面可不加工。
　　在修理凹模时，塑性圈可在车床上用车槽法去除，或者用电蚀法蚀除，然后车光。用塑性圈制造凹模，可保证较高的耐用度。镦粗轴承锥滚柱用的凹模，其制造工时可减少38％，而材料用量较图1所示的凹模可减少41％。
( i# J4 h! x# d7 f/ P7 C/ {; }% X5  结束语
( ?6 R1 t$ Z  j: w% [8 P4 w% N　　采用塑性圈建立预应力结构凹模，可保证模具高的技术使用性能，为提高硬质合金模的寿命，开辟了新的工艺途径。