用于浮动精锻模中的碟形弹簧的设计

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＝p×a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、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。

p＝p(4)
f＝n×f(5)
ho＝n×h(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。

p＝n×p(7)
f＝f(8)
ho＝h+(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。

p＝n×p(10)
f＝i×f(11)
ho＝i×［h+(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c＝d/d(外/内直径)值：取值范围2～3.5。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α、β、γ值。
(4)选择h/s(h-极限变形量)值：取值范围0.6～1.3。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0.6～0.75。太小不能实现行程需要。
(6)选择材料：65si2mnwa，σs＝1700mpa。
(7)计算厚度s：由动载荷情况下的强度校核公式σⅱ、σⅲ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(14—18)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：n＝p/p(13)
确定每组叠数：i＝f/fmax(14)
(10)确定每组高度：ho＝i×［h+(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?φ36.5mm×40mm，行程同为24.1mm，总挤压力为2600kn。碟形弹簧基本参数为：d＝110mmd＝32.4mmfmax＝4.1mmf/h＝0.7p＝65.1knh＝10.8mm。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，φ36.5mm为凸模直径，则坯料变形力为1250kn，分模力为1350kn，碟簧(n,i)＝(6,6),ho＝211.8mm；

(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)，ho＝94.1mm。

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。