圆锥形拉伸模具压制封头工艺的理论研究

段贵学

摘 要：采用圆锥形拉伸模具压制封头不用压边圈，简化了压制过程。与其它模具比较，圆锥形拉伸模具具有结构简单、制造容易、操作方便、生产效率高、劳动强度小、生产成本低等特点、在压制过程中改善了胚料的变形条件。压制的封头质量好。

关键词：压制封头 圆锥形 模具

中图分类号：TG76 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）04（a）-0003-01

在普通拉伸模具压制椭圆形封头，在符合下列条件即S/Dp×100≤1.0～1.2（S-胚料厚度mm，Dp-胚料直径mm）时，采用压边圈或多次拉伸成形。

采用圆锥形拉伸模具压制封头，当上模下行，胚料马上进入下模腔内。由于胚料随模腔变成圆锥形，加大了抗失稳性而少了起皱，因此可以采用较小的拉伸系数并减少拉伸次数。

普通模具胚料在压边圈和下模圆角处有摩擦力和弯曲力，阻碍胚料向下流动。圆锥模具的摩擦力和变形阻力都比普通模具小，对压机吨位要求低，生产过程中动力消耗少。采用圆锥形拉伸模具压制封头不用压边圈，简化了压制过程。

1 模具设计要求

1）热压模具应考虑工件的收缩量。

2）上模应有脱模斜度，脱模方法简单、方便、可靠。

3）模具结构应考虑防止受热变形而损坏。

4）多采用简单模具，少采用复合模具。

5）模具结构要考虑进出料方便、省力、胚料定位装置简单、迅速、准确。

2 上模设计

同一直径的封头，材料、壁厚不同，热压收缩率也不同。在实际生产中，以内径为准的封头，上模设计应考虑同一直径几种相邻壁厚封头的通用性。

1）收缩率δ

封头热压后的收缩量与工件的材料、形状、尺寸（板厚）、脱模温度及冷却条件有关，一般按下列计算：

δ=a·Δt·100%

式中a-材料的线膨胀系数；

Δt-脱模温度与室温之差℃。

2）上模直径Dsm

Dsm=Dn（1+δ）mm

式中：Dn-封头收缩率，见表1。

3）上模曲面部分高度Hsm

Hsm=HQ（1+δ）mm

式中：HQ—封头曲面部分高度mm；

δ—热压收缩率：见表1。

注：

薄壁封头取下限，厚壁封头上限；

不锈钢封头收缩率按上式增加了30%～40%；

需要调质处理的封头应另减调质后的胀大量，其值通常为0.05～0.1%；

对封头余量进行气割时，应增加气割收缩量，其通常为0.04～0.06%。

4）上模直边高H0

H0=H1+H2+H3+H4

式中：H1—封头直边高度mm，按产品要求；

H2—封头高度修边余量，一般为15～ 40 mm；

H0—卸料板厚度，一般为40～80 mm；

H0—保险余量，一般取40～100 mm。

5）上模上部直径D0

D0=+Dsm（2～3）mm

6）上模壁厚Ssm

当压机吨位<400吨时，Ssm=30～40 mm；

当压机吨位>1500吨时，Ssm=70～90 mm；

3 下模设计

下模直径Dxm

Dxm=+Dsm+2S+Zmm

式中：Z—模具直径间隙，Z=（0.1～ 0.2）Smm。

间隙选择原则：

（1）薄壁封头取较大值，厚壁封头取较小值。

（2）直边较长的椭圆形封头取较大值。

（3）设备能力偏小的取大值，并可适当加大间隙范围。

（4）如果封头尺寸是以外径为基准，则收缩应考虑在下模上，而模具隙则取在上模上。

2）下模圆角半径Rxm

Rxm=（3～6）Smm

锥形角a

a=15～30°

防止起皱a取较大值，较少拉伸力a取较小值。

3）下模直边高度h1

h1=40～70 mm

直边高度过大会产生卸料困难。

根据以上几个主要参数，按工件展开尺寸Dp确定W点。以Rxm为半径画圆弧与圆锥角a的斜线相切，锥角斜线另端与Dxm相交，这样圆锥形模具的主要结构就确定下来了。

4）下模斜面部分高度H

H=

式中：D2=Dp-2（Rxm-tga·Rxm）

5）下模外径D

D=Dxm+（200～400）mm

4 圆锥形拉伸模具的特点

（1）由于这种拉伸的行程长，所以上模较长，模具的开启高度较大，要求压机的开启高度大。

（2）上模应有透气孔，以防止形成真空，难以卸下工件。

（3）上模端面加工略粗糙些，使上模与工件之间有较大的摩擦力，有助于工件的稳定移动，不易产生压偏。

（4）封头胚料应加热均匀，装上模具后，压制温度不能过高，一般在600～650 ℃时开始压制为宜。由于锥形拉伸模具产生的摩擦力和变形力都比普通模具的拉伸力小，所以在胚料上产生的拉力小。如果胚料压制温度过高，那么胚料上产生的拉力就会小于胚料变形时产生的压力，压制出的封头容易产生起疱现象。

利于铸铁材料制造上、下模具，抗磨性能好。为了提高模具寿命和工件质量可用石墨加水调成糊状当润滑剂涂在模具上。涂上润滑剂的模具很容易卸料。模具上安装弹簧滑块式卸料机构可实现自动卸料。应用圆锥形拉伸模具压制的封头既能保证质量，又能提高效率，使成本大为降低。

参考文献

[1] 孔彪.锅炉封头压模的修复工艺[J].装备制造技术，2007（8）.

[2] 农琪，谢业东.压力容器椭圆形封头的可靠性设计[J].装备制造技术，2010（9）.endprint

摘 要：采用圆锥形拉伸模具压制封头不用压边圈，简化了压制过程。与其它模具比较，圆锥形拉伸模具具有结构简单、制造容易、操作方便、生产效率高、劳动强度小、生产成本低等特点、在压制过程中改善了胚料的变形条件。压制的封头质量好。

关键词：压制封头 圆锥形 模具

中图分类号：TG76 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）04（a）-0003-01

在普通拉伸模具压制椭圆形封头，在符合下列条件即S/Dp×100≤1.0～1.2（S-胚料厚度mm，Dp-胚料直径mm）时，采用压边圈或多次拉伸成形。

采用圆锥形拉伸模具压制封头，当上模下行，胚料马上进入下模腔内。由于胚料随模腔变成圆锥形，加大了抗失稳性而少了起皱，因此可以采用较小的拉伸系数并减少拉伸次数。

普通模具胚料在压边圈和下模圆角处有摩擦力和弯曲力，阻碍胚料向下流动。圆锥模具的摩擦力和变形阻力都比普通模具小，对压机吨位要求低，生产过程中动力消耗少。采用圆锥形拉伸模具压制封头不用压边圈，简化了压制过程。

1 模具设计要求

1）热压模具应考虑工件的收缩量。

2）上模应有脱模斜度，脱模方法简单、方便、可靠。

3）模具结构应考虑防止受热变形而损坏。

4）多采用简单模具，少采用复合模具。

5）模具结构要考虑进出料方便、省力、胚料定位装置简单、迅速、准确。

2 上模设计

同一直径的封头，材料、壁厚不同，热压收缩率也不同。在实际生产中，以内径为准的封头，上模设计应考虑同一直径几种相邻壁厚封头的通用性。

1）收缩率δ

封头热压后的收缩量与工件的材料、形状、尺寸（板厚）、脱模温度及冷却条件有关，一般按下列计算：

δ=a·Δt·100%

式中a-材料的线膨胀系数；

Δt-脱模温度与室温之差℃。

2）上模直径Dsm

Dsm=Dn（1+δ）mm

式中：Dn-封头收缩率，见表1。

3）上模曲面部分高度Hsm

Hsm=HQ（1+δ）mm

式中：HQ—封头曲面部分高度mm；

δ—热压收缩率：见表1。

注：

薄壁封头取下限，厚壁封头上限；

不锈钢封头收缩率按上式增加了30%～40%；

需要调质处理的封头应另减调质后的胀大量，其值通常为0.05～0.1%；

对封头余量进行气割时，应增加气割收缩量，其通常为0.04～0.06%。

4）上模直边高H0

H0=H1+H2+H3+H4

式中：H1—封头直边高度mm，按产品要求；

H2—封头高度修边余量，一般为15～ 40 mm；

H0—卸料板厚度，一般为40～80 mm；

H0—保险余量，一般取40～100 mm。

5）上模上部直径D0

D0=+Dsm（2～3）mm

6）上模壁厚Ssm

当压机吨位<400吨时，Ssm=30～40 mm；

当压机吨位>1500吨时，Ssm=70～90 mm；

3 下模设计

下模直径Dxm

Dxm=+Dsm+2S+Zmm

式中：Z—模具直径间隙，Z=（0.1～ 0.2）Smm。

间隙选择原则：

（1）薄壁封头取较大值，厚壁封头取较小值。

（2）直边较长的椭圆形封头取较大值。

（3）设备能力偏小的取大值，并可适当加大间隙范围。

（4）如果封头尺寸是以外径为基准，则收缩应考虑在下模上，而模具隙则取在上模上。

2）下模圆角半径Rxm

Rxm=（3～6）Smm

锥形角a

a=15～30°

防止起皱a取较大值，较少拉伸力a取较小值。

3）下模直边高度h1

h1=40～70 mm

直边高度过大会产生卸料困难。

根据以上几个主要参数，按工件展开尺寸Dp确定W点。以Rxm为半径画圆弧与圆锥角a的斜线相切，锥角斜线另端与Dxm相交，这样圆锥形模具的主要结构就确定下来了。

4）下模斜面部分高度H

H=

式中：D2=Dp-2（Rxm-tga·Rxm）

5）下模外径D

D=Dxm+（200～400）mm

4 圆锥形拉伸模具的特点

（1）由于这种拉伸的行程长，所以上模较长，模具的开启高度较大，要求压机的开启高度大。

（2）上模应有透气孔，以防止形成真空，难以卸下工件。

（3）上模端面加工略粗糙些，使上模与工件之间有较大的摩擦力，有助于工件的稳定移动，不易产生压偏。

（4）封头胚料应加热均匀，装上模具后，压制温度不能过高，一般在600～650 ℃时开始压制为宜。由于锥形拉伸模具产生的摩擦力和变形力都比普通模具的拉伸力小，所以在胚料上产生的拉力小。如果胚料压制温度过高，那么胚料上产生的拉力就会小于胚料变形时产生的压力，压制出的封头容易产生起疱现象。

利于铸铁材料制造上、下模具，抗磨性能好。为了提高模具寿命和工件质量可用石墨加水调成糊状当润滑剂涂在模具上。涂上润滑剂的模具很容易卸料。模具上安装弹簧滑块式卸料机构可实现自动卸料。应用圆锥形拉伸模具压制的封头既能保证质量，又能提高效率，使成本大为降低。

参考文献

[1] 孔彪.锅炉封头压模的修复工艺[J].装备制造技术，2007（8）.

[2] 农琪，谢业东.压力容器椭圆形封头的可靠性设计[J].装备制造技术，2010（9）.endprint

摘 要：采用圆锥形拉伸模具压制封头不用压边圈，简化了压制过程。与其它模具比较，圆锥形拉伸模具具有结构简单、制造容易、操作方便、生产效率高、劳动强度小、生产成本低等特点、在压制过程中改善了胚料的变形条件。压制的封头质量好。

关键词：压制封头 圆锥形 模具

中图分类号：TG76 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）04（a）-0003-01

在普通拉伸模具压制椭圆形封头，在符合下列条件即S/Dp×100≤1.0～1.2（S-胚料厚度mm，Dp-胚料直径mm）时，采用压边圈或多次拉伸成形。

采用圆锥形拉伸模具压制封头，当上模下行，胚料马上进入下模腔内。由于胚料随模腔变成圆锥形，加大了抗失稳性而少了起皱，因此可以采用较小的拉伸系数并减少拉伸次数。

普通模具胚料在压边圈和下模圆角处有摩擦力和弯曲力，阻碍胚料向下流动。圆锥模具的摩擦力和变形阻力都比普通模具小，对压机吨位要求低，生产过程中动力消耗少。采用圆锥形拉伸模具压制封头不用压边圈，简化了压制过程。

1 模具设计要求

1）热压模具应考虑工件的收缩量。

2）上模应有脱模斜度，脱模方法简单、方便、可靠。

3）模具结构应考虑防止受热变形而损坏。

4）多采用简单模具，少采用复合模具。

5）模具结构要考虑进出料方便、省力、胚料定位装置简单、迅速、准确。

2 上模设计

同一直径的封头，材料、壁厚不同，热压收缩率也不同。在实际生产中，以内径为准的封头，上模设计应考虑同一直径几种相邻壁厚封头的通用性。

1）收缩率δ

封头热压后的收缩量与工件的材料、形状、尺寸（板厚）、脱模温度及冷却条件有关，一般按下列计算：

δ=a·Δt·100%

式中a-材料的线膨胀系数；

Δt-脱模温度与室温之差℃。

2）上模直径Dsm

Dsm=Dn（1+δ）mm

式中：Dn-封头收缩率，见表1。

3）上模曲面部分高度Hsm

Hsm=HQ（1+δ）mm

式中：HQ—封头曲面部分高度mm；

δ—热压收缩率：见表1。

注：

薄壁封头取下限，厚壁封头上限；

不锈钢封头收缩率按上式增加了30%～40%；

需要调质处理的封头应另减调质后的胀大量，其值通常为0.05～0.1%；

对封头余量进行气割时，应增加气割收缩量，其通常为0.04～0.06%。

4）上模直边高H0

H0=H1+H2+H3+H4

式中：H1—封头直边高度mm，按产品要求；

H2—封头高度修边余量，一般为15～ 40 mm；

H0—卸料板厚度，一般为40～80 mm；

H0—保险余量，一般取40～100 mm。

5）上模上部直径D0

D0=+Dsm（2～3）mm

6）上模壁厚Ssm

当压机吨位<400吨时，Ssm=30～40 mm；

当压机吨位>1500吨时，Ssm=70～90 mm；

3 下模设计

下模直径Dxm

Dxm=+Dsm+2S+Zmm

式中：Z—模具直径间隙，Z=（0.1～ 0.2）Smm。

间隙选择原则：

（1）薄壁封头取较大值，厚壁封头取较小值。

（2）直边较长的椭圆形封头取较大值。

（3）设备能力偏小的取大值，并可适当加大间隙范围。

（4）如果封头尺寸是以外径为基准，则收缩应考虑在下模上，而模具隙则取在上模上。

2）下模圆角半径Rxm

Rxm=（3～6）Smm

锥形角a

a=15～30°

防止起皱a取较大值，较少拉伸力a取较小值。

3）下模直边高度h1

h1=40～70 mm

直边高度过大会产生卸料困难。

根据以上几个主要参数，按工件展开尺寸Dp确定W点。以Rxm为半径画圆弧与圆锥角a的斜线相切，锥角斜线另端与Dxm相交，这样圆锥形模具的主要结构就确定下来了。

4）下模斜面部分高度H

H=

式中：D2=Dp-2（Rxm-tga·Rxm）

5）下模外径D

D=Dxm+（200～400）mm

4 圆锥形拉伸模具的特点

（1）由于这种拉伸的行程长，所以上模较长，模具的开启高度较大，要求压机的开启高度大。

（2）上模应有透气孔，以防止形成真空，难以卸下工件。

（3）上模端面加工略粗糙些，使上模与工件之间有较大的摩擦力，有助于工件的稳定移动，不易产生压偏。

（4）封头胚料应加热均匀，装上模具后，压制温度不能过高，一般在600～650 ℃时开始压制为宜。由于锥形拉伸模具产生的摩擦力和变形力都比普通模具的拉伸力小，所以在胚料上产生的拉力小。如果胚料压制温度过高，那么胚料上产生的拉力就会小于胚料变形时产生的压力，压制出的封头容易产生起疱现象。

利于铸铁材料制造上、下模具，抗磨性能好。为了提高模具寿命和工件质量可用石墨加水调成糊状当润滑剂涂在模具上。涂上润滑剂的模具很容易卸料。模具上安装弹簧滑块式卸料机构可实现自动卸料。应用圆锥形拉伸模具压制的封头既能保证质量，又能提高效率，使成本大为降低。

参考文献

[1] 孔彪.锅炉封头压模的修复工艺[J].装备制造技术，2007（8）.

[2] 农琪，谢业东.压力容器椭圆形封头的可靠性设计[J].装备制造技术，2010（9）.endprint