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1半弦管熱壓模具的制造及熱壓工藝要求

半弦管是細長結構，在熱壓過程中既要保證截面形狀準確，又要保證長度方向的直線度要求．因此在模具設計過程中，首先要精確考慮材料收縮率，得到正確的截面形狀，其次要采用適當的頂出結構，減少工件在長度方向的彎曲、扭曲等變形按照正常的工作循環，工件始鍛溫度為900℃，終鍛溫度為750℃．因此一方面要求模具能夠承受高溫，具有良好的高溫硬度、強度和精度．另一方面，要求模具結構能夠保證實現正常的工作循環，杜絕因過程中斷或延時造成工件溫度過低引起質量事故．受壓力機的結構限制，工件不能采用傳統的側面上下料方式．如果從壓力機端面上下料，則由于工件細長，難度很大．如果上料時間太長，工件冷卻，不能保證熱壓溫度，會給壓力機和模具造成損害，也不能保證工件的成型精度．

2半弦管熱壓模具設計

2.1模具的總體結構和熱壓工作循環

模具由下模(陰模)和上模(陽模)組成，模具陰、陽模均采用熱作模具鋼5CrNiMo，有上下料、定位、頂出等幾大功能系統．為了滿足前述模具制造和熱壓工藝的要求，模具在總體上采用了模塊化結構:沿長度方向將模具分成數段，分段加工，在工作現場組裝．這樣就解決了因毛坯尺寸太大鍛造困難以及數控加工和運輸困難等問題．在壓力機外專門建有用導軌和壓力機連為一體的坑道，里面設置頂出油缸．模具上帶有輪子和驅動裝置，能夠沿導軌自動進出壓力機并且自動定位，這樣可以實現在壓力機外上料和頂出工件．模具在到達鍛壓位置時，需要降落，底部和壓力機臺面接觸，同時輪子懸空，而在壓制完成后，需要將模具升起，使得模具底面抬離壓力機工作臺，同時輪子和導軌平齊．這些功能通過在導軌上設置液壓控制的活塊實現．模具工作循環如下．

(1)上料:下模在壓力機外固定位置，坑道內的油缸將頂件器升起，上料叉車將加熱好的鋼板放在升起的頂件器上．

(2)鋼板定位:頂件器緩慢落下，鋼板在定位塊內側斜面的導向下，落入定位塊所限定的位置，實現鋼板對中定位．

(3)下模進入壓力機:驅動裝置帶動下模進入壓力機，到達工作位置后，壓力機工作臺導軌上設置的活塊在薄型油缸的控制下降落，使下模落在工作臺墊板上．同時，墊板上的V形定位凸臺與模具底部的定位槽配合，實現模具對中定位．

(4)熱壓:壓力機合模，經過加壓、保壓，完成壓制成型．

(5)開模:上模升起，工件留在下模型腔內．

(6)頂出取件:軌道上的活塊升起與軌道平齊，托起下模，驅動裝置帶動下模到壓力機外固定位置，頂件器升起，將成型后的半弦管從下模型腔內頂出，叉車完成取件，同時準備下一塊鋼板上料，至此完成一個工作循環．

2.2面向模具制造的設計方案及實現

2.2.1分段結構

根據工件的長度，模具總長度確定為8m．通過有限元分析計算，結合壓力機的結構尺寸，模具在合模狀態下的截面確定為1.0m×0.9m．模具總重量約56t，其中下模約44t．模具沿長度方向分成4段，每段2m．每段模具的結構基本相同，減輕了設計的工作量．同時，加工也由單件變為“成組”，工藝得以簡化，提高了加工效率和質量．

2.2．2端面鍵與耳板結構

各段模具之間采用端面鍵進行定位，保證工件在長度方向的直線度要求，實現快速、準確的定位安裝．為了使各段模具頂起和落下時同步動作，同時保證模具的整體強度，各段模具的兩端設計有L型連接板，通過螺栓進行連接．

2.2.3整體裝配

各段模具裝配成整體如圖6所示．通過上述分段結構及定位和連接方式，可以保證模具整體具有足夠的精度和連接強度．

2.3面向熱壓工藝的設計方案及實現

2.3.1型腔及模具截面形狀

半弦管截面尺寸，取工件材料收縮率α=0．55%，計算得模具型腔截面理論尺寸為Rm=R×α=222.21×0.0055=223.43mm．實際尺寸需要加2mm左右的間隙，型腔截面實際尺寸確定為Rm=225.4mm．以型腔尺寸為依據設計模具截面形狀如圖7所示．

2.3.2毛坯的對中定位

根據工件截面圖計算，毛坯鋼板的寬度為L=568.15mm．加上適當的余量，毛坯寬度定為580mm．經計算，鋼板加熱后，寬度大約為600mm．在凹模頂面，設置適當數量對稱布置的定位塊．定位塊厚80mm，內側有一段斜面起導向作用，兩側定位塊之間的距離為600mm．定位塊同時兼做限位器。

2.3.3模具的牽引運動

下模通過牽引機構帶動，可將模具開出壓力機，實現在機外上料和頂出工件．輪子可以沿著其下方嵌在底板上的導軌滾動．模具在壓力機中的停靠位置處，每個輪子下的一小段導軌做成活塊，可以上下移動．模具需要移動時，通過下方薄型千斤頂頂起使模具抬起5mm，活塊與導軌平齊，以保證模具順利移出．模具在上料后，運行到工作位置時，千斤頂落下，活塊隨之落下，模具也落下定位，這時模具下模底面和底板面接觸，輪子處在懸空狀態，保證上下合模時不會使輪子受力而損壞．

2.3.4模具的升降和定位

為了實現在壓力機外上料和頂出，需要下模在成型時落在壓力機底座，并能夠定位．在頂出及上料時，又能夠抬離工作臺，并通過導軌和輪子，由牽引機構驅動，運行到工作臺外．模具的舉升和降落，由設置在工作臺導軌上的16個活塊來實現，活塊由超薄型油缸驅動。

2.3.5工件頂出機構

對于長度達8m的半弦管，為了能穩定地將工件頂出，頂出桿設計成如圖11所示的U形結構．U形頂部適當地超出工件外直徑一段距離，兩端頂面形成小平面．頂桿沿軸向均勻地設置4根，在頂出時同時升起，包絡工件外形，穩定地將工件頂離下模型腔．在上料的時候，頂桿上升到一定高度，由頂桿頂端的小平面承接加熱的鋼板，然后緩慢地落下，由下模上的導向定位塊將鋼板導入定位槽中，實現毛坯的對中定位．

2.3.6壓力機外上下料機構

前文述及，受籠式壓力機結構限制，從一端送料和出件非常困難，而且由于開模高度的限制，在壓力機內頂出也難以實現．為了解決這些難題，采用在壓力機外部上料和頂出，在縮短了上料時間的同時保證了工件的壓制溫度，避免由于溫度過低造成回彈，影響最終成型尺寸，損傷模具和壓力機．

3結論

海洋石油鉆井平臺樁腿半弦管，是生產鉆井平臺支撐樁腿的重要大型構件．長期以來，受制于國外的技術壟斷，以及模具加工技術、熱壓設備和工藝的限制，我國一直不能實現完全獨立自主的生產，而不得不依賴于進口．在關鍵的熱壓模具方面，如果按照目前傳統的模具設計制造方法，無論從制造、運輸到安裝調試以及精度都無法滿足使用要求，這就要求我們必須在模具的設計方法層面取得突破．本研究根據我國企業的實際情況，充分利用企業現有的壓力機及相關設備，在不增加額外投資的基礎上，采用基于面向制造過程及熱壓工藝的設計方法，在模具的設計過程中，針對大型模具制造過程中的條件約束，以及半弦管熱壓工藝的技術要求進行總體設計，實現了模具制造并行工程的思想，降低了成本，提高了效率，保證了大型模具制造的成功率，這對于其他大型模具的設計制造也有重要的意義．在具體的設計過程中，采用模塊化結構，將模具分塊制造，在生產現場拼裝，解決了材料鑄鍛、機械加工以及運輸和安裝不便的難題．另外，采用可移動式下模，實現了在壓力機外上料和取件，徹底克服了籠式壓力機的結構缺陷，提高了生產效率．該設計方案在相關企業得到實際應用，取得了非常滿意的效果．

作者:郭忠侯志剛應華于濤單位:煙臺大學機電汽車工程學院