持續改進的輪轂鍛造模具頂桿新型結構設計

關雪梅，楊金嶺，曹 勇，楊玉坤，付 蕾，吳志軍，李 慧

(1. 燕山大學車輛與能源學院 河北 秦皇島 066004；2. 中信戴卡股份有限公司 河北 秦皇島 066011；3. 燕山大學機械工程學院 河北 秦皇島 066004)

0 引言

鋁、鎂合金是金屬結構材料中較輕的金屬，其具有強度高、彈性模量小且加工性能優良，可回收利用、減震性能好等特點，被廣泛用于汽車零部件材料。汽車輪轂是汽車上最重要的部件之一，在鋁、鎂合金輪轂實際鍛造生產過程中，鍛造輪轂尺寸大、毛坯較重，而一般下模中心頂料器相對尺寸較小(受輪轂冒口直徑及正面造型限制，無法增大下模中心頂料器尺寸)，其頂出力不足并且會造成輪轂鍛坯正面頂起變形，無法將鍛造輪轂毛坯順利頂出，從而給正常生產帶來了困難[1-3]。針對上述情況，本文作者設計了新的副頂桿頂出機構，并進行了持續改進。

1 原有輪轂鍛造模具頂桿結構組成

圖1為現在使用的舊副頂桿和模具組裝圖(圓圈內為副頂桿上端頭部和下端尾部)?，F在使用的輪轂鍛造模具舊副頂桿2置于模具下模3中；連接螺栓8連接下托盤9與上托盤10；連接螺栓4連接模具下模3與下模座11；卡板5，6置于下托盤9與上托盤10中；卡板6卡住中心頂桿7；卡板5卡住舊副頂桿2，模具底板12置于下模座11下方[4-6]。

1—輪轂鍛坯；2—舊副頂桿；3—模具下模；4—連接螺栓；5—卡板；6—卡板；7—中心頂桿；8—連接螺栓；9—下托盤；10—上托盤；11—下模座；12—模具底板圖1 現在使用的舊副頂桿和模具組裝圖

2 頂桿實際使用工藝過程

鍛造輪轂毛坯在鍛模中完成壓鍛后，需要中心頂桿和副頂桿將鍛后的鍛坯從模具下模上頂起，然后由機器人將鍛坯夾取走，進入下一工序工作，如圖1所示。

3 原有輪轂鍛造模具舊頂桿結構存在問題分析

圖2(a)為鍛造模具舊副頂桿頭處下沉；圖2(b)為開裂現象實物照片；圖2(c)為鍛造模具舊副頂桿頭處開裂導致報廢的實物模具照片；圖2(d)為現在使用鍛造模具舊副頂桿實物圖(上端大頭為喇叭口形狀)。

現在具有中心頂桿和舊副頂桿的輪轂鍛模在鍛造使用中，下模副頂桿頭凹窩處就會出現開裂，并產生副頂桿下沉等不利現象。繼續使用鍛模凹窩處會開裂，導致報廢。

4 問題分析和受力分析

1) 開裂原因是受壓力機向下施壓使副頂桿頭下沉，造成擠壓模具下模副頂桿頭凹窩，由于下模側面比較薄弱而開裂，如圖3所示。

(a) 模具舊副頂桿頭處下沉圖

(b) 頂桿頭開裂現象

(c) 開裂報廢圖

(d) 新的模具舊副頂桿

(圓圈內為舊副頂桿上端頭部結構)圖3 現在使用鍛造模具舊副頂桿頭凹窩處

2) 頂桿頻繁受到壓力機垂直向下的壓力F0及F0的側向擠壓分力F1[4]，造成下模副頂桿頭凹窩處開裂，如圖1、圖3和圖4所示。

(圓圈內為舊副頂桿下端尾部結構)圖4 現在使用鍛造模具副頂桿下端

5 改良后鍛造模具副頂桿模具組成結構

圖5為新型模具組成結構： 圓圈內為副頂桿上端頭部和下端尾部結構；新副頂桿2置于模具下模3中；連接螺栓8連接下托盤9與上托盤10；連接螺栓4連接模具下模3與下模座11；5為定位銷；卡板6置于下托盤9與上托盤10中；卡板6卡住中心頂桿7；模具底板12置于下模座11下方。

1—輪轂鍛坯；2—新副頂桿；3—模具下模；4—連接螺栓；5—定位銷；6—卡板；7—中心頂桿；8—連接螺栓；9—下托盤；10—上托盤；11—下模座；12—模具底板(圓圈內為副頂桿上端頭部和下端尾部結構)圖5 改進的鍛造模具新副頂桿和模具組裝圖

6 改良后鍛造模具副頂桿模具結構和受力分析

中心主頂桿和副頂桿在下模中下落后回位時，中心主頂桿頭部下模芯凹窩處接觸，施加部分承載力，下托盤底端置底時與大板上面接觸，與下模底端平齊施加承載力。副頂桿頭受到壓力機垂直向下的壓力F0無側向分力F1，不會造成下模芯副頂桿頭凹窩處孔開裂，如圖5和圖6所示。

如圖6所示，新鍛造模具副頂桿頭處(圓圈內為新副頂桿上端頭部結構)，圖7為新鍛造模具副頂桿下端(圓圈內為新副頂桿下端尾部結構)。新副頂桿下端尾部為一個大頭結構，夾在上托盤與下托盤之間，作為約束防止脫開。

圖6 新副頂桿上端頭部結構

圖7 新副頂桿下端尾部結構

7 新舊副頂桿模具結構優缺點對比分析

原有鍛造模具舊副頂桿模具結構的缺點：

1) 由于舊副頂桿加卡板結構，卡板約束副頂桿底端夾在上托盤與下托盤之間，防止脫離，卡板加工和安裝精度要求高。由于卡板如設計過小會時常損壞，每次使用中都會存在卡板變形或使用中損壞的風險，如圖3和圖4所示。

2) 開裂原因是頻繁的副頂桿頭下沉擠壓模具下模比較薄弱的副頂桿頭凹窩處，造成開裂。

3) 使用材料為5CrMnMo，淬火硬度在36～37之間，硬度略低。

改良后鍛造模具副頂桿結構的優點：

1) 如圖6～圖11所示，新型副頂桿結構中副頂桿為一體結構，不使用卡板作為約束件，其在上托盤與下托盤的上下槽中固定，減少了卡板損壞的可能。

而且副頂桿可以設計成標準結構，這樣就可以批量生產標準頂桿，在生產使用時根據要求也僅需要線切割部分頂桿頂出，并頭部隨型加工打磨，即可使用[7-8]。這樣可以降低頂桿生產成本，且能保證質量。

2) 可以增大副頂桿下端直徑，使尺寸增大，提高強度。

3) 中心主頂桿和副頂桿在下模中下落后回位時，中心主頂桿頭部下模芯凹窩處接觸施加承載力，下托盤底端置底時與大板上面接觸，與下模芯底端平齊施加承載力，沒有了側向擠壓力F1，不會造成模芯凹窩處開裂。

4) 使用材料依然為5CrMnMo，通過熱處理提高整體硬度和強度，整體淬火后硬度為45～48。

改良后鍛造模具副頂桿結構的缺點：

改良后副頂桿與下模在使用中長時間摩擦后間隙會增大，一方面會加大設計精度要求，另一方面模具清理維護成本也增加。

8 鍛造模具新型副頂桿設計方案研究

圖10為改進的鍛造模具第一種副頂桿模具結構組裝方案圖。

圖11為改進鍛造模具第二種頂桿結構組裝圖(經過現場多次實驗驗證，第二種頂桿中間承載力強使用會更好)。

1) 第一種新型副頂桿3D圖(見圖8)和組裝方案圖(見圖10)。通過實驗驗證，可正常使用。

2) 第二種新型副頂桿3D圖(見圖9)和組裝方案圖(見圖11)，第二種桿中間尺寸增加臺階，通過現場實驗驗證，承載能力提高，使用效果更好[9]。

圖8 第一種新型副頂桿3D圖

圖9 第二種新型副頂桿3D圖

1—輪轂鍛坯；2—新副頂桿；3—模具下模；4—連接螺栓;5—定位銷；6—卡板；7—中心頂桿；8—連接螺栓；9—下托盤；10—上托盤；11—下模座；12—模具底板圖10 第一種新型副頂桿組裝圖

1—輪轂鍛坯；2—新副頂桿；3—模具下模；4—連接螺栓；5—定位銷；6—卡板；7—中心頂桿；8—連接螺栓；9—下托盤；10—上托盤；11—下模座；12—模具底板圖11 第二種新型副頂桿組裝圖

圖12 第二種新型副頂桿、中心頂桿和上、下托盤3D組裝圖

9 結論

經過實驗驗證，兩種方案中，第二種方案的頂桿中間尺寸更大，承載能力更強，使用效果更好。通過持續改進的鍛造模具頂桿下端直徑尺寸更大且強度更高。頂桿設計為標準結構，即下端尾部直徑，和頂桿頂出部分直徑可以采取標準化設計，而且可以批量標準化生產，使用時僅需根據要求線切割部分頂桿頂出，并隨型加工打磨頭部即可用。這樣就降低了頂桿生產的單件成本和使用總成本，提高了生產效率。