CN201089001Y - 一种组合式通用大型船用曲轴曲拐弯曲锻造下模装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于锻造领域，具体地说就是一种组合式通用大型船用曲轴曲拐弯曲锻造下模装置，它适用于大型船用曲轴曲拐弯锻下模的设计和制造过程。整套模具设有模具主体、底部凹槽、加强连接板、侧面垫块、螺杆，整套模具的下部连接方式为：模具主体放置在底部凹槽中，模具主体和底部凹槽之间的空间由侧面垫块填充；整套模具的上部连接方式为：加强连接板放置在模具主体两侧的凸台上，通过螺杆连接加强连接板和模具主体的延伸块。采用该装置生产大型船用曲轴曲拐，能够消除曲拐弯锻过程经常出现的喇叭口、折叠裂纹、缩腰、减薄等缺陷，同时该装置结构简单，重量较小，拆卸、组装方便，可重复使用，能够满足不同型号大型船用曲轴曲拐的弯锻要求。
Description
技术领域
本实用新型属于锻造领域，具体地说就是一种组合式通用大型船用曲轴曲拐弯曲锻造下模装置，它适用于大型船用曲轴曲拐弯锻下模的设计和制造过程。
背景技术
曲轴是大型船舶的心脏，大型船用曲轴(单拐重量常在5吨以上，整轴重量在50吨以上)由曲拐、主轴、法兰轴、动力输出轴几部分组合而成，其中曲拐是半组合式曲轴上制造难度最大的部件，难点在于曲拐毛坯的弯曲锻造过程，目前绝大部分半组合曲轴曲拐毛坯采用弯曲锻造方法制造，这种方法的特点是操作简便，产品型号范围广，对锻压设备要求不高。
常用的曲拐弯曲锻造模具由弯曲上模、弯曲下模、插板组成。首先将锻坯拔长，锻造成弯曲预制坯，然后将预制坯摆在U形弯曲下模上，将上模、预制坯、下模对中，用上模将预制坯压入下模中，使预制坯发生弯曲，形成蝴蝶形状，然后将插板放入两曲臂之间，用平砧从曲柄销端向曲臂端逐渐将两曲臂向插板压靠，最终完成成形锻造。
在曲拐锻造模具中，弯曲下模的开口宽度是个很关键的工艺参数，下模开口过大，变形区域会集中在过渡区靠曲臂一端，曲臂弯曲内表面向内凹，在精整时无法压平，最终形成喇叭口，造成毛坯加工余量不足；下模开口过小，则锻造变形抗力过大，对设备要求增高，两曲臂与下模之间摩擦力增大，造成曲臂根部“缩腰”现象明显，同时上模切入量大，造成内开档根部金属纤维切断，影响零件使用的安全性。
由于曲拐型号多，从50～98机尺寸上均有较大差异，甚至同一机型也有不同型号，因此若对应每种型号曲拐均制作相应开口宽度的下模，则至少需要制造6种不同尺寸的弯曲下模才能覆盖50～98机型号的曲拐。这些模具不仅制作成本较高，而且将占据大量的模具摆放空间，给生产带来了不便。因此，应设计一种组合式的弯曲下模，能够根据不同型号曲拐毛坯进行调整，使其开口间距能够适应各种型号的预成形毛坯。
随着现代锻造理论和计算机模拟技术的发展，采用模拟技术预测大型铸锻件的成形过程已进入实用阶段。国际上开发出很多模拟软件(如：ABAQUS，ANSYS，MARC，DEFORM等)来模拟金属的塑性变形过程，并可进行模具的安全性进行分析。根据模拟结果，不但可以得到锻件的最终形状和尺寸，预测锻件缺陷的类型和产生的位置，而且可以获得模具承受的应力情况，确定模具的设计原则。通过在计算机平台上的反复试验，可以确定一种最佳的锻造工艺，得到模具和毛坯的设计尺寸，采用计算机模拟技术对工艺进行设计和优化，可明显缩短产品试制的周期，节省原材料、降低废品率，进而降低生产成本。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种组合式通用大型船用曲轴曲拐弯曲锻造下模装置，采用该装置生产大型船用曲轴曲拐，能够消除曲拐弯锻过程经常出现的喇叭口、折叠裂纹、缩腰、减薄等缺陷，同时该弯曲下模结构简单，重量较小，拆卸、组装方便，可重复使用，能够满足不同型号大型船用曲轴曲拐的弯锻要求。
本实用新型的技术方案如下：
本实用新型开发了一种组合式通用大型船用曲轴曲拐弯曲锻造下模装置，其主要内容包括：
1)设计组装式曲拐弯锻下模
整套模具由模具主体、底部凹槽、加强连接板、侧面垫块、螺杆组成。整套模具的下部连接方式为：模具主体放置在底部凹槽中，模具主体和底部凹槽之间的空间由侧面垫块填充；整套模具的上部连接方式为：加强连接板放置在模具主体两侧的凸台上，使用螺杆连接加强连接板和模具主体的延伸块。
模具各组成部分的特征如下：
所述的组合式通用大型船用曲轴曲拐弯曲下模，模具主体为左右对称的分体结构，由底座、工作层、延伸块、螺栓孔、凸台和加强肋板构成，设于底座上的工作层向外倾斜，两个模具主体的工作层和底座共同形成侧面向外倾斜的楔形槽结构，工作层顶部倾斜面外侧设有延伸块，延伸块上开有螺栓孔，模具主体两侧设有凸台。
所述的组合式通用大型船用曲轴曲拐弯曲下模，底部凹槽由基座、设于基座两侧的挡板构成。
所述的组合式通用大型船用曲轴曲拐弯曲下模，加强连接板由板体、螺栓孔构成，加强连接板上的螺栓孔与延伸块上的螺栓孔相对应。
所述的组合式通用大型船用曲轴曲拐弯曲下模，中间垫块填充于两支左右对称的模具主体下部之间的空隙，中间垫块的高度与模具主体的底座的高度相同。
所述的组合式通用大型船用曲轴曲拐弯曲下模，侧面垫块的高度为中间垫块高度的1.5～2倍。
所述的组合式通用大型船用曲轴曲拐弯曲下模，螺栓的螺杆直径为140～150mm。
2)设计模具各部分的配合及使用方法
首先将两支模具主体对称放入底部凹槽中，按照实际锻造曲拐的级别，确定下模的开口宽度，然后将合适的加强连接板放置在模具主体侧面的凸台上，使用螺栓将加强连接板和两支模具主体的相对位置固定。左右模具主体之间的下部空间由中间垫块填充，模具下部两侧模具主体与底部凹槽之间的空间由侧面垫块填充，垫块与模具主体之间由于配合不紧密而形成的缝隙可通过插入楔铁达到加强固定的效果。
弯曲下模组装好以后，将加热的曲拐预制坯放置弯曲下模上，使用弯曲上模将毛坯压弯，形成蝴蝶状，然后取出毛坯进行精整，直至锻造到合格的工艺尺寸为止。
本实用新型的有益效果是：
1、本实用新型采用数值模拟技术确定了一种组合式通用大型船用曲轴曲拐弯曲锻造下模装置，采用该方法设计得到的弯曲下模生产大型船用曲轴曲拐，能够消除曲拐弯锻过程经常出现的喇叭口、折叠裂纹、缩腰、减薄等缺陷。
2、弯曲下模结构简单，重量较小，拆卸、组装方便，可重复使用，能够满足不同型号大型船用曲轴曲拐的弯锻要求，适用于生产MANB&W(曼恩比维)和WNSD(瓦锡兰)柴油机专利公司的全部机型曲轴曲拐部件。
附图说明
图1a-b为曲拐弯曲下模的组装形状示意图；图1a为主视图，图1b为侧视图。
图2a-b为曲拐弯曲下模的模具主体1的形状示意图；图2a为主视图，图2b为侧视图。
图3a-b为曲拐弯曲下模的底部凹槽2形状示意图；图3a为主视图，图3b为侧视图。
图4a-b为曲拐弯曲下模的加强连接板3形状示意图；图4a为主视图，图4b为侧视图。
图5a-b为曲拐弯曲下模的中间垫块4的形状示意图；图5a为主视图，图5b为侧视图。
图6a-b为曲拐弯曲下模的侧面垫块5的形状示意图；图6a为主视图，图6b为侧视图。
图7a-b为曲拐弯曲下模的螺栓6的形状示意图；图7a为主视图，图7b为侧视图。
图8a-b为应用本实用新型进行弯曲锻造的计算机模拟示意图，图8a为弯曲前模具和毛坯的相对状态，图8b为弯曲后模具和毛坯的相对状态。
图9为弯曲过程中毛坯对上模的反作用力历程。
图10为弯曲过程中毛坯对上模反作用力最大时螺栓上的应力分布。
图11为弯曲过程中毛坯对上模反作用力最大时加强连接板上的应力分布。
图12为弯曲过程中毛坯对上模反作用力最大时模具主体上的应力分布。
图13为弯曲过程中毛坯对上模反作用力最大时底部凹槽、中间垫块和侧面垫块上的应力分布。
图中，1-模具主体；2-底部凹槽；3-加强连接板；4-中间垫块；5-侧面垫块；6-螺栓；7-延伸块；8-螺栓孔I；9-凸台；10-工作层；1 1-加强肋板；12-底座；13-基座；14-挡板；15-板体；16-螺栓孔II；17-上模；18-毛坯。
具体实施方式
下面结合附图及实施例详述本实用新型，本实用新型中除角度以外，其他长度单位均为mm。
参照图1a-b，整套模具由模具主体1、底部凹槽2、加强连接板3、中间垫块4、侧面垫块5、螺杆6组成。整套模具的下部连接方式为：模具主体1放置在底部凹槽2中，模具主体1和底部凹槽2之间的空间由侧面垫块5填充，模具主体1和底部凹槽2之间的较小缝隙由楔铁填充，中间垫块4填充于两支模具主体下部之间的空隙；整套模具的上部连接方式为：加强连接板3放置在模具主体1两侧的凸台9上，使用螺栓6连接加强连接板3和模具主体1的延伸块7。
(1)模具主体的结构：
如图2a-b所示，模具主体1为左右对称的分体结构，每个模具主体1由底座12、工作层10、延伸块7、延伸块上的螺栓孔I8、凸台9和加强肋板11构成，设于底座12上的工作层10向外倾斜，两个模具主体1的工作层10和底座12共同形成侧面向外倾斜的楔形槽结构，工作层10顶部倾斜面外侧设有延伸块7，模具主体1两侧设有凸台9，工作层10外侧设有加强肋板11。
(2)底部凹槽的结构：
如图3a-b所示，底部凹槽2由基座13、设于基座13两侧的挡板14构成。
(3)加强连接板的结构：
如图4a-b所示，加强连接板3由板体15、加强连接板上的螺栓孔II 16构成，加强连接板上的螺栓孔II16与延伸块上的螺栓孔I8相对应。锻造不同型号曲拐，对弯曲下模开口宽度要求不一样，因此连接板上的孔距也不相同。为使本套模具能够适合锻造50～98机各种型号的曲拐，本实用新型设计三支连接板：锻造50机或80机曲拐使用同一支连接板，锻造60机或90机曲拐使用同一支连接板，锻造70机或98机曲拐使用同一支连接板，每支连接板上均有两对螺栓孔。锻造较小型号的50、60、70机曲拐时，使用内侧两个螺栓孔将连接板与模具主体连接起来，锻造较大型号的80、90、98机曲拐时，使用外侧两个螺栓孔将连接板与模具主体连接起来。
(4)中间垫块的结构：
如图5a-b所示，中间垫块4的作用是填充两支左右对称的模具主体下部之间的空隙，中间垫块4的高度与模具主体底座12的高度相同。锻造不同型号的曲拐，对于中间垫块4的宽度的要求也不一样。实际操作过程中，可制造多块厚度在150～300mm厚的中间垫块，通过组合使用，即可满足全部型号曲拐弯锻要求。
(5)侧面垫块的结构：
如图6a-b所示，侧面垫块5的作用是填充两支模具主体下部与下凹槽之间的空隙，侧面垫块5的高度为中间垫块4高度的1.5～2倍。锻造不同型号的曲拐，对于侧面垫块5的宽度的要求也不一样。实际操作过程中，可制造多块厚度在70～300mm厚的中间垫块，通过组合使用，即可满足全部型号曲拐弯锻要求，通过组合使用，即可满足全部型号曲拐弯锻要求。
(6)螺栓的的结构：
如图7a-b所示，螺栓由螺杆和螺母组成，为满足模具强度要求，螺杆部分材料的屈服强度应在800MPa以上，直径应在100mm以上，一般为140～150mm。
(7)模具各部分的配合及使用方法：
将两支模具主体1对称放入底部凹槽2中，按照实际锻造曲拐的级别，确定下模的开口宽度，然后将加强连接板放置在模具主体侧面的凸台9上，通过改变加强连接板上系列螺栓孔与模具主体上的螺栓孔I8之间的配合来满足模具的开口宽度，使用螺栓6将加强连接板3和两支模具主体1的相对位置固定。下部左右模具主体之间的空间由中间垫块4填充，模具下部两侧模具主体1与底部凹槽2之间的空间由侧面垫块5填充，中间垫块4或侧面垫块5与模具主体1之间由于配合不紧密而形成的缝隙可通过插入楔铁达到加强固定的效果。
上述模具主体、底部凹槽、加强连接板、中间垫块、侧面垫块、螺栓等模具各个组成部分的形状、尺寸及选用材质等均已通过计算机模拟校核。
弯曲下模组装好以后，将加热的曲拐预制坯放置弯曲下模上，使用弯曲上模17将毛坯18压弯，形成蝴蝶状，然后取出毛坯进行精整，直至锻造到合格的工艺尺寸为止。
实施例
本实施例的锻造零件为MANB&W专利公司的K90MC-C型号曲轴曲拐，坯料材质为S34MnV，毛坯重38t，坯料加热温度为1250℃，模具主体选用材质为35CrMo(屈服强度为650MPa)，螺栓选用材质为42CrMo(屈服强度为900MPa)，螺栓的直径φ＝145mm，底部凹槽、中间垫块和侧面垫块选用材质为45号钢(屈服强度为350MPa)，中间垫块宽度为600mm，侧面垫块宽度为400mm，垫块和模具主体之间存在的较小缝隙用楔铁填充。弯曲时水压机上砧压下速度约为20mm/s，毛坯变形前后的计算机模拟结果如图8a-b所示。计算机模拟结果显示，在弯曲过程中，加强连接板3承受拉应力，连接螺栓承受剪切应力，中间垫块和侧面垫块承受压应力，虽然由于毛坯的变形抗力使两支模具主体产生向两侧分离的趋势，但由于模具上部和底部均进行了约束，因此两支模具主体之间不会有较大的相对位移产生。本实施例中，弯曲过程毛坯对上模的反作用力演化历程如图9所示，由图可见，在上模行程约为总行程一半时模具各部分所承受的应力最大，此时模具各部分所承受的应力也最大。在该时刻，螺栓承受的最大等效应力约为643MPa，(该时刻螺栓上的应力分布情况如图10所示)加强连接板承受的最大等效应力约为414MPa，(该时刻加强连接板上的应力分布情况如图11所示)，模具主体承受的最大等效应力约为440MPa，(该时刻模具主体上的应力分布情况如图12所示)，底部凹槽、中间垫块和侧面垫块承受的最大等效应力约为68MPa，(该时刻底部凹槽、中间垫块和侧面垫块上的应力分布情况如图13所示)，由此可见，模具各部分承受的最大等效应力均在材料的屈服强度范围之内，模具设计合理，使用安全。
Claims (7)
1.一种组合式通用大型船用曲轴曲拐弯曲锻造下模装置，其特征在于：整套模具设有模具主体(1)、底部凹槽(2)、加强连接板(3)、侧面垫块(5)、螺杆(6)，整套模具的下部连接方式为：模具主体(1)放置在底部凹槽(2)中，模具主体(1)和底部凹槽(2)之间的空间由侧面垫块(5)填充；整套模具的上部连接方式为：加强连接板(3)放置在模具主体(1)两侧的凸台(9)上，通过螺杆(6)连接加强连接板(3)和模具主体的延伸块(7)。
2.按照权利要求1所述的组合式通用大型船用曲轴曲拐弯曲锻造下模装置，其特征在于：模具主体(1)为左右对称的分体结构，每个模具主体(1)设有底座(12)、工作层(10)、延伸块(7)、螺栓孔I(8)、凸台(9)和加强肋板(11)，设于底座(12)上的工作层(10)向外倾斜，两个模具主体(1)的工作层(10)和底座(12)共同形成侧面向外倾斜的楔形槽结构，工作层(10)顶部倾斜面外侧设有延伸块(7)，延伸块(7)上开有螺栓孔I(8)，模具主体(1)两侧设有凸台(9)，工作层(10)外侧设有加强肋板(11)。
3.按照权利要求2所述的组合式通用大型船用曲轴曲拐弯曲锻造下模装置，其特征在于：加强连接板(3)设有板体(15)、螺栓孔II(16)，加强连接板上的螺栓孔II(16)与延伸块上的螺栓孔I(8)相对应。
4.按照权利要求1所述的组合式通用大型船用曲轴曲拐弯曲锻造下模，其特征在于：底部凹槽设有基座、挡板，挡板设于基座两侧。
5.按照权利要求1所述的组合式通用大型船用曲轴曲拐弯曲锻造下模装置，其特征在于：两个左右对称的模具主体下部之间的空隙填充有中间垫块，中间垫块的高度与模具主体的底座的高度相同。
6.按照权利要求1所述的组合式通用大型船用曲轴曲拐弯曲锻造下模装置，其特征在于：侧面垫块的高度为中间垫块高度的1.5～2倍。
7.按照权利要求1所述的组合式通用大型船用曲轴曲拐弯曲锻造下模装置，其特征在于：螺栓的螺杆直径为140～150mm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| AV01 | Patent right actively abandoned |
Effective date of abandoning: 20071019 |
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| AV01 | Patent right actively abandoned |
Effective date of abandoning: 20071019 |
|
| C25 | Abandonment of patent right or utility model to avoid double patenting |