旋臂铆接工艺及模具设计范文

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【摘要】

通过对旋臂组合件进行工艺性分析，设计了铆接模具，加工试验后，对铆接模具进行了改进、完善，解决了铆接敦粗、托板根部断裂的问题，满足了制件铆接加工要求。

关键词：

旋臂；铆接；压铆；模具设计

1引言

航空发动机旋臂类结构件，一般由旋臂臂板和销轴铆接组成，其铆接工艺精度要求高，尤其是铆接过程中的变形量控制是铆接工艺的关键。图1为某旋臂组合件，是用于连接航空发动机中联动环与可调静子叶片的关键传动部件，其制造质量精度对动力传递和动作准确性都有非常大的影响。设计要求铆接后保证销轴直径公差为0.01mm，销轴对基准A面的垂直度为ϕ0.1mm。

2铆接工艺分析

2.1铆接过程变形原理铆接过程类似于自由锻造过程，实际上就是在外力的作用下，铆钉头形成镦头的过程，也就是利用铆接压力使得销轴高度减小而直径增大形成铆头的过程。由于受到外力作用，铆钉发生塑性变形，铆钉杆膨胀、变粗，这种膨胀对孔产生压力，使得孔径扩张。铆钉头形成镦头的过程，对铆接完成后的铆接变形以及铆接结构的疲劳性能等都有很大影响。图2为镦粗过程示意图，分析了铆钉头铆接过程金属流动趋势[1~2]：设铆接上、下模具为刚体，铆接过程中上模具对铆头坯料施加铆接力F，上、下模具与铆头坯料接触面之间存在摩擦力f，则坯料在铆接冲压力和摩擦力的作用下，坯料高度缩短，横向增粗，而且在形成铆头过程中是坯料中部体积增大速度快于坯料的端部，这就是摩擦力的作用，形成腰鼓形，所以，如果用坯料横向截面表示金属质点流动方向，则是金属质点由横截面的中心向四周的放射线流动。分析金属塑性成形中质点的流动规律可以应用最小阻力定律，在塑性成形中，当金属质点有几个可能移动的方向时，它向阻力最小的方向移动。如图2b所示，上模具作用于坯料端面的摩擦力为f，因为接触面上的质点向自由表面流动的摩擦阻力和质点与自由表面的距离成正比，因此距离自由边界越短阻力越小，金属质点必然沿着这个方向流动。

2.2铆接工艺分析由图1可知，要实现销轴与旋臂臂板的铆接结合，销轴托板底部必须支撑，其次，作为铆接的主支撑点，销轴底部必须支撑，所以，为了防止销轴弯曲变形，销轴直径方向必须限制。

3模具结构设计

3.1模具结构及工作过程原铆接模具结构见图3所示。模具由上、下两部分构成。上部分主要由凸模2、上模座3、固定垫板4、固定板5组成；下部分主要由凹模6、顶销7、垫板8、顶杆9、凹模板10、垫板11、下模座12、调节螺钉14组成。模具各部件的连接依靠螺钉和销钉，模具导向装置为导柱和导套，模具安装导正装置为模柄。模具的工作过程：冲床上平台上行，模具打开，将制件销轴插入旋臂臂板孔中，将旋臂组合件装入凹模6中，调节调节螺钉14，使旋臂组合件达到理想摆放高度位置，冲床滑块下行，凸模2首先与销轴头部接触，随着滑块继续下行，销轴头部敦粗，实现铆接，滑块上行，模具分开，取出零件，铆接工序结束。

3.2模具设计要点（1）凸模、凹模采用CrWMn，淬火硬度58～60HRC。（2）为方便铆接工艺过程装入销轴，需要销轴与凹模孔之间留有间隙，本文销轴铆接前直径与凹模孔间留有0.01～0.016mm的单边间隙。（3）为了保证铆接后的垂直度，旋臂需水平摆放，需安装调节机构14，以保证旋臂与销轴的垂直度。（4）由于制件精度高，导向需使用滚珠导向装置。（5）为了保证后期调整方便，销轴底部支撑为可调节顶销加顶杆结构支撑，顶销7采用CrWMn，淬火硬度58～60HRC。

4加工试验及改进

4.1铆接试验在250kN冲床上进行了铆接试验，对试验数据进行统计后发现：①销轴增粗0.03～0.05mm；②垂直度max0.39mm；③铆接后销轴托板根部存在断裂。

4.2问题分析增粗和托板根部断裂产生的原因是由于装卸制件要求销轴铆接前直径与凹模孔间留有0.01～0.016mm的单边间隙，在铆接成形的过程中体积变化，销轴直径增粗，则长度缩短，于是产生托板根部向下运动，如果变形量超过材料的塑性极限，就产生裂纹，即托板根部断裂。

4.3模具结构改进在原始压铆模具（见图3）中凹模6、顶销7、垫板8、顶杆9、凹模板10、垫块11组成的凹模结构中，为了保证铆接前后装卸零件方便，凹模6与销轴15之间留有0.01～0.016mm的间隙，冲铆试验后发现销轴部分有增粗和托板根部产生断裂的现象，该结构模具不能解决铆接“镦粗”和托板根部断裂的问题。改进后铆接模具结构如图4所示。为防止制件压铆时销轴尺寸镦粗，新模具中重新设计凹模组件结构，改变凹模定位及夹紧结构，将凹模6改进为分瓣凹模镶嵌件结构，增加凹模镶嵌件锁紧机构，即增加锁紧扳手7、螺母8、锁紧顶杆9，方便制件装卸，当装配制件后，扳动锁紧扳手7转动锁紧顶杆9，使凹模镶嵌件组成一个刚体紧紧“抱住”销轴15，利用“抱紧”产生的巨大摩擦力来缓铆接镦粗力，使销轴不产生弯曲及增粗变形，这样解决销轴在铆接过程中增粗问题。去掉原结构（见图3）中的顶销7、顶杆9，将旧模具垫板8、凹模板10合并为一体新模具凹模镶嵌件垫块11，其中垫块和凹模镶嵌件分界处为销轴的底端面，这样可以限制铆接时销轴向下运动，解决铆接过程销轴托板根部断裂现象。采用新结构模具进行了试验，对试验结果进行统计，冲铆前后使用精度为0.001mm的杠杆指针千分表测量销轴直径增大max0.008mm，销轴直径公差带0.001～0.006mm，采用量具测量冲铆后销轴垂直度0.02～0.09mm，满足制件尺寸精度要求，且铆接后取件容易。

4.4加工中注意事项凹模镶嵌件垫块为易磨损件，长期使用，垫块表面会形成凹坑，造成销轴底部悬空，销轴托板颈部变形严重时，会产生托板断裂。此时可更换垫块，确保销轴底部被有效支撑。

5结论

分瓣式凹模铆接模具方案，可以有效地控制旋臂销轴在铆接时镦粗变形量，能够满足铆接工艺设计要求。

参考文献

[1]吕炎.锻造工艺学[M].北京：机械工业出版社，1995.

[2]田文明.以冲铆替代旋铆的工艺设计[J].模具制造，2007，（5）

作者：卢海涛 石晓东 黄青松 单位：沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司