農(nóng)用拖拉機結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及其效果
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摘要介紹了農(nóng)用拖拉機結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，提出了具體實施措施，并對優(yōu)化效果進行分析，以供參考。
關(guān)鍵詞農(nóng)用拖拉機；可換式機油濾清器；模具結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計；效果
金威濾清器有限公司是國內(nèi)專業(yè)內(nèi)燃機“三濾”制造商，是目前國內(nèi)最大的生產(chǎn)機油、燃油和空氣濾清器的專業(yè)公司，系中國汽車零部件行業(yè)的大型重點骨干企業(yè)，每年大約生產(chǎn)各類濾清器3 000萬只[1]。每年公司投入各種薄板金屬零件沖壓成形模具600多套，因此優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)，以改善沖壓件成形，提高生產(chǎn)效率尤為重要?，F(xiàn)以公司為某型農(nóng)用拖拉機配套的可換式機油濾清器外殼底部加強筋（凹槽）成形為例來說明，優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)設(shè)計對改善零件成形條件、提高產(chǎn)品質(zhì)量和成品率、降低模具加工難度的重要意義。
1農(nóng)用拖拉機濾清器的優(yōu)化設(shè)計
該機油濾清器外殼形狀及關(guān)鍵尺寸如圖1所示，材料為冷軋鋼板，牌號為08-Ⅱ-S，材料厚度2.0 mm，該外殼在工作時最大承受1.5 MPa的壓力，因此在其底部均布6個加強凹槽，用以提高零件底部的剛性和耐壓強度。原成形模具是按照沖壓工藝中鐓壓成形來設(shè)計的[2]，原模具結(jié)構(gòu)如圖2，模具中的成形凸模（圖2中的上模部分）和成形凹模（圖2中的下模部分）是完全按照零件尺寸及形狀設(shè)計，其設(shè)計理念為成形凸模和成形凹模中間的間隙就是零件，即按照型腔模來設(shè)計（形象地稱之為“兩塊鐵夾一片料”）。這種模具結(jié)構(gòu)設(shè)計一方面為模具制造加工帶來了極大的不便，因為公司沒有電火花成型加工設(shè)備，沒有仿形銑床或是坐標(biāo)銑床等高級加工設(shè)備，所以成形凸模和成形凹模只能配對加工，凸模中的6個凸筋和下模中的6個凹槽全由模具鉗工慢慢手工修磨出來，稍有不慎，就會導(dǎo)致成形凸模和成形凹模成套報廢，造成不必要的浪費，不僅耗工耗時，而且加工出來的筋和槽的尺寸精度也得不到保證，導(dǎo)致成形后外殼上的凹槽不美觀，也滿足不了零件的尺寸要求，影響零件的耐壓性能[3-4]。另一方面，模具的維修保養(yǎng)也相當(dāng)困難，比如凸凹模的成形部分圓角磨損后，就會造成零件上的筋變形，達不到圖紙上的尺寸要求而成為廢品，而且還會因為成形凸模和成形凹模的配合失效而造成模具的廢棄，因此現(xiàn)場操作工和模具制造車間強烈要求對此進行改進。
起伏成形是一種使材料發(fā)生拉伸形成局部的凹進或凸起，借以改變毛坯形狀的方法[2]。經(jīng)過對零件的分析，認為該零件的6個加強筋是一種典型的起伏成形，可運用以下公式來判定能否一次或多次式序來完成。
工藝計算如下：
式中，L1為起伏成形后沿界面的材料長度（mm）；L為起伏成形前材料原長（mm）；δ為材料的延伸率，查閱相關(guān)資料，該例中該材料數(shù)值0.30。該例加強筋（槽）長度方向的L1值約為38.2 mm，L值約為36.3 mm，寬度方向上L1值約為15.9 mm，L值約為14.3 mm（計算過程略，較為簡便的方法是使用CAD設(shè)計軟件測量/查詢得到）。經(jīng)過計算，長度方向和寬度方向上的結(jié)果均滿足以上公式要求，故可以一次起伏成形（這一點也在實際生產(chǎn)得到了驗證）。
由于該起伏成形是一種淺拉伸，則該成型模便可以按照薄板金屬拉伸成形的理念來設(shè)計，具體實施如下：
首先，上模中原6個凸起的部分做成單獨的嵌件，上模部分利用公司已有的電火花線切割加工設(shè)備一次加工出6個孔（槽），加工精度有保證，嵌件和上模采用H7/m6配合，嵌件的外形可采用電火花線切割加工。嵌件頂部有突出的掛臺，防止嵌件在工作過程中意外脫落（圖2）。
其次，下模也做成兩體結(jié)構(gòu)，其中成形凹模與下模之間也采用H7/m6配合，并加入防轉(zhuǎn)鍵，并用螺栓固定，加入防轉(zhuǎn)鍵的目的是防止成形凹模上的槽與上模中的嵌件錯位，一旦錯位，輕則壓壞工件，重則損壞模具。成形凹模上相對應(yīng)上模部分的6個凹槽的底部整個去掉，形成6個空腔，從而與上模中的6個嵌件配合，產(chǎn)生類似于淺拉伸成形中凸模與凹模的關(guān)系。在薄板沖壓的拉伸工藝中，拉伸薄板時，金屬材料總是緊緊包覆在凸模表面的，因該模具中材料正是所需要的緊緊貼在上模中的嵌件上的結(jié)構(gòu)。
最后，模具上下模成形部分工藝尺寸的確定。由于起伏成形不是拉伸成形，不能照搬照套拉伸模的設(shè)計，因此以成形凹模為例，該模具成形凹模的尺寸設(shè)計計算方法如下（圖3）：借助CAD設(shè)計軟件，按照1∶1的比例精確做出零件成形部分的圖形，包括過渡圓角，上模中嵌件和凹模中成型部分的工藝尺寸就是圍繞這些圓角來展開的，利用CAD設(shè)計軟件補齊圓角，使之成為1個整圓，這樣就可以找到這個圓角的圓心點，通過控制這個圓心點的位置來確定成形凹模的輪廓尺寸和空間位置，嵌件的尺寸及輪廓也是采用這樣的方法來確定，筆者稱之為控制“點”來保證金屬薄板的成型，利用CAD設(shè)計軟件就可以很方便標(biāo)注出尺寸，然后加上相應(yīng)的公差，就可以做出零件的加工圖紙，大大簡化了設(shè)計，減少了設(shè)計者的工作量。
2 優(yōu)化效果
經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后，該模具具有以下特點：一是采用較為流行的模塊化設(shè)計，其成型部分做成單獨的部件，方便了加工制造，也方便了易損件的準(zhǔn)備，一旦有嵌件或是成形凹模出了問題可以單獨更換，避免了原模具上、下模一起報廢的情況。既節(jié)約了加工工時，又大大節(jié)約了制造材料，并且減輕了模具的維護保養(yǎng)，一舉數(shù)得。二是采用了新的設(shè)計理念，成形凹模不再“仿形”（即不再是完全貼合零件的外形），而是形成1個空腔，不再參與零件的成形，使用簡單的加工設(shè)備即可完成模具的制造，除嵌件成形部分的圓角由鉗工手工修出以外，其余成形型面均可以使用常見的機械設(shè)備加工進行加工，避免使用昂貴的數(shù)控銑床等高級加工設(shè)備。新結(jié)構(gòu)模具投入使用后生產(chǎn)出的零件頂部產(chǎn)生的6個加強筋（槽）清晰、飽滿，無壓痕，符合圖紙要求，并且經(jīng)過測試，滿足該濾清器的耐壓要求。優(yōu)化設(shè)計后的模具投入使用后取得良好的綜合效益。
3參考文獻
[1] 宋淮玉，陳瑋胤.蚌埠市金威清器有限公司廢水處理技術(shù)綜述[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2010（3）：48-49.
[2] 王孝培.沖壓手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.
[3] 齊福全.拖拉機空氣濾清器的正確使用[J].農(nóng)村科技，2008（11）：59.
[4] 張世忠，王志田.拖拉機作業(yè)要保養(yǎng)好空氣濾清器[J].農(nóng)業(yè)科學(xué)實驗，2008（5）：30.
關(guān)鍵詞農(nóng)用拖拉機；可換式機油濾清器；模具結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計；效果
金威濾清器有限公司是國內(nèi)專業(yè)內(nèi)燃機“三濾”制造商，是目前國內(nèi)最大的生產(chǎn)機油、燃油和空氣濾清器的專業(yè)公司，系中國汽車零部件行業(yè)的大型重點骨干企業(yè)，每年大約生產(chǎn)各類濾清器3 000萬只[1]。每年公司投入各種薄板金屬零件沖壓成形模具600多套，因此優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)，以改善沖壓件成形，提高生產(chǎn)效率尤為重要?，F(xiàn)以公司為某型農(nóng)用拖拉機配套的可換式機油濾清器外殼底部加強筋（凹槽）成形為例來說明，優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)設(shè)計對改善零件成形條件、提高產(chǎn)品質(zhì)量和成品率、降低模具加工難度的重要意義。
1農(nóng)用拖拉機濾清器的優(yōu)化設(shè)計
該機油濾清器外殼形狀及關(guān)鍵尺寸如圖1所示，材料為冷軋鋼板，牌號為08-Ⅱ-S，材料厚度2.0 mm，該外殼在工作時最大承受1.5 MPa的壓力，因此在其底部均布6個加強凹槽，用以提高零件底部的剛性和耐壓強度。原成形模具是按照沖壓工藝中鐓壓成形來設(shè)計的[2]，原模具結(jié)構(gòu)如圖2，模具中的成形凸模（圖2中的上模部分）和成形凹模（圖2中的下模部分）是完全按照零件尺寸及形狀設(shè)計，其設(shè)計理念為成形凸模和成形凹模中間的間隙就是零件，即按照型腔模來設(shè)計（形象地稱之為“兩塊鐵夾一片料”）。這種模具結(jié)構(gòu)設(shè)計一方面為模具制造加工帶來了極大的不便，因為公司沒有電火花成型加工設(shè)備，沒有仿形銑床或是坐標(biāo)銑床等高級加工設(shè)備，所以成形凸模和成形凹模只能配對加工，凸模中的6個凸筋和下模中的6個凹槽全由模具鉗工慢慢手工修磨出來，稍有不慎，就會導(dǎo)致成形凸模和成形凹模成套報廢，造成不必要的浪費，不僅耗工耗時，而且加工出來的筋和槽的尺寸精度也得不到保證，導(dǎo)致成形后外殼上的凹槽不美觀，也滿足不了零件的尺寸要求，影響零件的耐壓性能[3-4]。另一方面，模具的維修保養(yǎng)也相當(dāng)困難，比如凸凹模的成形部分圓角磨損后，就會造成零件上的筋變形，達不到圖紙上的尺寸要求而成為廢品，而且還會因為成形凸模和成形凹模的配合失效而造成模具的廢棄，因此現(xiàn)場操作工和模具制造車間強烈要求對此進行改進。
起伏成形是一種使材料發(fā)生拉伸形成局部的凹進或凸起，借以改變毛坯形狀的方法[2]。經(jīng)過對零件的分析，認為該零件的6個加強筋是一種典型的起伏成形，可運用以下公式來判定能否一次或多次式序來完成。
工藝計算如下：
式中，L1為起伏成形后沿界面的材料長度（mm）；L為起伏成形前材料原長（mm）；δ為材料的延伸率，查閱相關(guān)資料，該例中該材料數(shù)值0.30。該例加強筋（槽）長度方向的L1值約為38.2 mm，L值約為36.3 mm，寬度方向上L1值約為15.9 mm，L值約為14.3 mm（計算過程略，較為簡便的方法是使用CAD設(shè)計軟件測量/查詢得到）。經(jīng)過計算，長度方向和寬度方向上的結(jié)果均滿足以上公式要求，故可以一次起伏成形（這一點也在實際生產(chǎn)得到了驗證）。
由于該起伏成形是一種淺拉伸，則該成型模便可以按照薄板金屬拉伸成形的理念來設(shè)計，具體實施如下：
首先，上模中原6個凸起的部分做成單獨的嵌件，上模部分利用公司已有的電火花線切割加工設(shè)備一次加工出6個孔（槽），加工精度有保證，嵌件和上模采用H7/m6配合，嵌件的外形可采用電火花線切割加工。嵌件頂部有突出的掛臺，防止嵌件在工作過程中意外脫落（圖2）。
其次，下模也做成兩體結(jié)構(gòu)，其中成形凹模與下模之間也采用H7/m6配合，并加入防轉(zhuǎn)鍵，并用螺栓固定，加入防轉(zhuǎn)鍵的目的是防止成形凹模上的槽與上模中的嵌件錯位，一旦錯位，輕則壓壞工件，重則損壞模具。成形凹模上相對應(yīng)上模部分的6個凹槽的底部整個去掉，形成6個空腔，從而與上模中的6個嵌件配合，產(chǎn)生類似于淺拉伸成形中凸模與凹模的關(guān)系。在薄板沖壓的拉伸工藝中，拉伸薄板時，金屬材料總是緊緊包覆在凸模表面的，因該模具中材料正是所需要的緊緊貼在上模中的嵌件上的結(jié)構(gòu)。
最后，模具上下模成形部分工藝尺寸的確定。由于起伏成形不是拉伸成形，不能照搬照套拉伸模的設(shè)計，因此以成形凹模為例，該模具成形凹模的尺寸設(shè)計計算方法如下（圖3）：借助CAD設(shè)計軟件，按照1∶1的比例精確做出零件成形部分的圖形，包括過渡圓角，上模中嵌件和凹模中成型部分的工藝尺寸就是圍繞這些圓角來展開的，利用CAD設(shè)計軟件補齊圓角，使之成為1個整圓，這樣就可以找到這個圓角的圓心點，通過控制這個圓心點的位置來確定成形凹模的輪廓尺寸和空間位置，嵌件的尺寸及輪廓也是采用這樣的方法來確定，筆者稱之為控制“點”來保證金屬薄板的成型，利用CAD設(shè)計軟件就可以很方便標(biāo)注出尺寸，然后加上相應(yīng)的公差，就可以做出零件的加工圖紙，大大簡化了設(shè)計，減少了設(shè)計者的工作量。
2 優(yōu)化效果
經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后，該模具具有以下特點：一是采用較為流行的模塊化設(shè)計，其成型部分做成單獨的部件，方便了加工制造，也方便了易損件的準(zhǔn)備，一旦有嵌件或是成形凹模出了問題可以單獨更換，避免了原模具上、下模一起報廢的情況。既節(jié)約了加工工時，又大大節(jié)約了制造材料，并且減輕了模具的維護保養(yǎng)，一舉數(shù)得。二是采用了新的設(shè)計理念，成形凹模不再“仿形”（即不再是完全貼合零件的外形），而是形成1個空腔，不再參與零件的成形，使用簡單的加工設(shè)備即可完成模具的制造，除嵌件成形部分的圓角由鉗工手工修出以外，其余成形型面均可以使用常見的機械設(shè)備加工進行加工，避免使用昂貴的數(shù)控銑床等高級加工設(shè)備。新結(jié)構(gòu)模具投入使用后生產(chǎn)出的零件頂部產(chǎn)生的6個加強筋（槽）清晰、飽滿，無壓痕，符合圖紙要求，并且經(jīng)過測試，滿足該濾清器的耐壓要求。優(yōu)化設(shè)計后的模具投入使用后取得良好的綜合效益。
3參考文獻
[1] 宋淮玉，陳瑋胤.蚌埠市金威清器有限公司廢水處理技術(shù)綜述[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2010（3）：48-49.
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[3] 齊福全.拖拉機空氣濾清器的正確使用[J].農(nóng)村科技，2008（11）：59.
[4] 張世忠，王志田.拖拉機作業(yè)要保養(yǎng)好空氣濾清器[J].農(nóng)業(yè)科學(xué)實驗，2008（5）：30.