一种模具、模具的设计方法及装置与流程

本发明涉及模具的设计和制造领域，尤其涉及一种模具、模具的设计方法及装置。

技术背景

随着飞机体积的不断增大，其需要的结构件和发动机转动件也都相应的不断增大。对于组织性能要求高的零件，还需要模锻进行生产。生产这些零件时需要的模块尺寸也随之增大，模具成本也在不断增加。对于大型模锻件，每项锻件必须需要一套模具。如何节省模具成本成为生产大型模锻件需要解决的重要问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：把所述的一块上模和一块下模的上、下端面分别做为模锻件1和模锻件2的分模面，实现一套模具实现两个锻件的铸造，节约模具成本。

本发明的技术方案是：

第一方面，提供一组模具，包括：上模和下模；

其中，所述上模包括设置在上端面的第一型腔和设置在下端面的第二型腔；所述下模包括设置在上端面的第三型腔和设置在下端面的第四型腔；所述第一型腔和所述第四型腔是锻造第一锻件的上下型腔；所述第二型腔和所述第三型腔是锻造第二锻件的上下型腔。

进一步的，所述上模还包括:所述第一型腔的分模面和所述第四型腔的分模面；所述下模还包括:所述第二型腔的分模面和所述第三型腔的分模面；

所述一组模具还包括：分别设置在所述第一型腔的分模面和所述第四型腔的分模面的第一标注，分别设置在所述第二型腔的分模面和所述第三型腔的分模面的第二标注；

其中，所述第一标注表征所述第一锻件，所述第二标注表征所述第二锻件。

进一步的，所述一组模具还包括：两组第一导柱和两组第二导柱；所述第一导柱的形状与所述第二导柱的形状不同；

所述第一导柱的凸起设置在所述第一型腔的分模面；所述第一导柱的凹陷设置在所述第四型腔的分模面；所述第二导柱的凸起设置在所述第二型腔的分模面；所述第二导柱的凹陷设置在所述第三型腔的分模面。

进一步的，所述两组第一导柱之间的距离与所述两组第二导柱之间距离不同。

第二方面，提供一种模具的设计方法，包括：

确定符合第一锻件和第二锻件的上模和下模的材料和尺寸，所述上模和所述下模组成一组模具；

确定所述第一锻件和第二锻件，确定所述上模的第一型腔和第二型腔的相对位置，确定所述下模的第三型腔和第四型腔的相对位置；

确定所述上模的剪切面最薄弱部分的第一面积和所述下模的剪切面最薄弱部分的第二面积；

根据所述第一面积和所述第二面积分别确定所述上模的的剪切强度和所述下模的剪切强度；

当所述上模的的剪切强度和所述下模的剪切强度都小于预设的许用剪切强度时，确定所述一组模具可用。

进一步的，对于所述一组模具中任一模块，所述确定符合第一锻件和第二锻件的上模和下模的材料和尺寸，包括：

根据公式1，确定所述第一锻件的最小模块投影面积和所述第二锻件的最小模块投影面积，所述公式1为：

m＝a+b+c；

其中，所述m是所述最小模块投影面积，所述a是所述第一锻件或所述第二锻件的投影面积；所述b是所述第一锻件或所述第二锻件的毛边面积；所述c是锻造设备的承击面面积；

根据所述第一锻件的最小模块投影面积、所述第二锻件的最小模块投影面积和锻件外廓尺寸选择所述模块的两组长度和宽度；

在所述第一锻件和所述第二锻件需要模块尺寸相对一致的情况下，从所述两组长度和宽度中选择尺寸较大的一组尺寸或分别选择长度和宽度较大的尺寸作为所述模块的尺寸；

确定所述模块的高度，所述高度尺寸满足设备要求的最小闭合尺寸，或在四个型腔的最深处加预设余量深度作为所述高度尺寸。

第三方面，提供一种模具的设计装置，包括：

第一确定模块，用于确定符合第一锻件和第二锻件的上模和下模的材料和尺寸，所述上模和所述下模组成一组模具；

第二确定模块，用于确定所述第一锻件和第二锻件，确定所述上模的第一型腔和第二型腔的相对位置，确定所述下模的第三型腔和第四型腔的相对位置；

第三确定模块，用于确定所述上模的剪切面最薄弱部分的第一面积和所述下模的剪切面最薄弱部分的第二面积；

第四确定模块，用于根据所述第一面积和所述第二面积分别确定所述上模的的剪切强度和所述下模的剪切强度；

第五确定模块，用于当所述上模的的剪切强度和所述下模的剪切强度都小于预设的许用剪切强度时，确定所述一组模具可用。

本发明的有益效果是：通过使用上述方法进行模具设计和制造，保证使用两块模块完成两个锻件的生产，在节省模具材料的基础上可保证锻件正常批产。

附图说明

图1是模块上的两个型腔的相对位置的示意图。

具体实施方式

以下结合实例对本发明技术方案作进一步的详述：

1、模具设计：

步骤1：模块材料和尺寸确定

步骤1.1：模具材料确定

根据模具适用的条件选择不同的模具材料。比如：5crnimo、5crnimov、5cr2nisimov、55nicrmov7等。

步骤1.2：模具尺寸确定

选择外廓尺寸相当的两个大型模锻件，使用公式1所述的方法为其计算最小的模块投影面积。

模块投影面积＝锻件投影面积+毛边面积+承击面面积公式1

根据最小投影面积和锻件外廓尺寸选择模块长度和宽度尺寸。在两个锻件需要模块尺寸相对一致的情况下，选择尺寸较大的一套模块或分别选择长度和宽度较大的尺寸。

高度方向尺寸的选择原则为：满足锻件的最小闭合尺寸。厚度应在模具型腔最深处留预设余量。例如，预设余量是200mm。

步骤2：根据锻件的形状确定锻件在模具中的摆放方向

根据模锻件1和模锻件2的形状分别在模具上、下端面上摆放，原则为再保证型腔壁厚的基础上尽量减少两个锻件在高度方向上空腔的重叠部分。

步骤3：模具强度校核

获取上模的剪切面和下模的剪切面，计算模块的剪切面最薄弱部分(模具上下端面加工型腔后底部没有支撑点的部分)的面积，按照公式2计算模具的剪切强度。

τ＝fs/a≤[τ]＝(0.5～0.7)[σ]公式2

其中，τ是模块的切应力；fs是锻造设备的最大力量；a是剪切面的面积；[τ]是许用切应力；[σ]是预设的许用拉应力。

步骤4：设计每套模具的配件防止两套模具型腔混乱

步骤4.1：导柱设计

所述的模块上、下端面均需使用，因此只能选择导柱防止上、下模措意。两个锻件对应的导柱应不一致，避免锻件型腔使用错误。

步骤4.2：标刻设计

在每个锻件对应的承击面上使用醒目的字体标刻锻件名称等信息。

2.模具生产：

步骤1：模具粗加工

步骤1.1：加工模具型腔

按照热锻件形状及锻件定位尺寸等信息加工模具型腔，但必须预留2mm的加工余量，便于后续热处理后继续机加去除脱碳层，还能保证模具型腔的加工精度。

步骤1.2：加工模具外形

按照设备要求加工模具装夹部分、标刻等其他形状。

步骤2：模具热处理

按照不同模具材料的标准热处理制度进行处理。

步骤3：模具精加工

在粗加工的基础上按照热锻件数模加工去掉模具热处理后的脱碳层，并将模具型腔加工至距热锻件必须的尺寸0.2mm。

步骤4：模具抛光

为保证模具光洁度，将模具型腔使用钳工抛光至光洁度要求。

具体实施例如下：

模具设计：

步骤1：模块材料和尺寸确定

步骤1.1：模块材料确定

所述的模具适用条件为：加热温度250～350℃，坯料锻造温度960℃960～970℃，选用5crnimo做为模块材料。

步骤1.2：模块尺寸确定

所述的模锻件1的投影面积为：0.49m2，毛边面积为：0.93m2，承击面面积：0.65m2，模锻件1需要的模块投影面积＝锻件投影面积+毛边面积+承击面面积＝0.49m2+0.93m2+0.65m2＝2.07m2，锻件外廓尺寸为：1.44m×0.7m×0.15m；模块尺寸选择为：2m×1.2m。

模锻件2的投影面积为：0.52m2，毛边面积为：1.03m2，承击面面积：0.65m2，模锻件2模块尺寸＝锻件投影面积+毛边面积+承击面面积＝0.52m2+1.03m2+0.65m2＝2.2m2，锻件外廓尺寸为：1.6m×0.8m×0.10m；模块尺寸选择为：1.9m×1.3m。

设备最小闭合高度为800mm，将此高度平均给上、下两个模块，每块模块的高度为400mm，锻件深处在两个模块中的深度最深为：0.15m/2＝75mm，因此选择模块都选为400mm。

模锻件1的模块尺寸长度较大，模锻件2的模块尺寸宽度较大，最终模块尺寸2m×1.3m×0.4m。

步骤2：根据锻件的形状确定锻件在模具中的摆放方向

将锻件1和锻件2的外形分别在模块上、下端面上摆放，选择上下型腔空腔部分最少且保证各部分型腔壁厚足够的位置。摆放情况见图1。

步骤3：模具强度校核

图1中阴影部分是模块强度最薄弱部分，其剪切面面积为0.69m2，设备最大压力为：200mn，按照式2计算模具的剪切强度。

τ＝fs/a＝200mn/0.69m2＝289.6mpa

查询相关标准可知：5crnimo在300℃时强度为1439mpa，按照式2计算其许用强度。

[τ]＝0.5[σ]＝0.5×1439mpa＝719.5mpa

对比剪切强度τ和许用强度[τ]，可知τ＜[τ]，模具强度足够，可进行生产。

步骤4：设计每套模具的配件防止两套模具型腔混乱

步骤4.1：导柱设计

为保证材料的线膨胀系数等参数一致，材料也选择5crnimo。导柱的位置选择对角形式，即在模块的对角线方向设置导柱。

模锻件1的导柱尺寸设计为：φ160×90，定位尺寸距离长度方向上端面500，宽度方向端面200。

模锻件2的导柱尺寸设计为：φ130×90，定位尺寸距离长度方向上端面450，宽度方向端面170。

步骤4.2：标刻设计

在模锻件1对应的型腔分模面上分别设计标刻“模锻件1”，大小为100mm×100mm。在模锻件2对应的型腔分模面上分别设计标刻“模锻件2”，大小为100mm×100mm。

2.模具生产：

步骤1：模具粗加工

步骤1.1：加工模具型腔

分别按照模锻件1和模锻件2热锻件形状及锻件定位尺寸等信息加工模具型腔，在型腔既定尺寸预留2mm的加工余量。

步骤1.2：加工模具外形

按照设备要求加工模具装夹部分、标刻、定位等其他形状。

步骤2：模具热处理

5crnimo的标准热处理制度：

淬火：860℃，油冷

回火：560℃，空冷

步骤3：模具精加工

分别按照模锻件1和模锻件2的热锻件数模将模具型腔加工至距热锻件必须的尺寸0.2mm。

步骤4：模具抛光

将模具型腔使用钳工抛光至ra3.2。