農用拖拉機結構優化設計及其效果
摘要介紹了農用拖拉機結構優化設計，提出了具體實施措施，並對優化效果進行分析，以供參考。
關鍵詞農用拖拉機；可換式機油濾清器；模具結構；優化設計；效果
金威濾清器有限公司是國內專業內燃機“三濾”製造商，是目前國內最大的生產機油、燃油和空氣濾清器的專業公司，系中國汽車零部件行業的大型重點骨幹企業，每年大約生產各類濾清器3 000萬隻[1]。每年公司投入各種薄板金屬零件衝壓成形模具600多套，因此優化模具結構，以改善衝壓件成形，提高生產效率尤為重要。現以公司為某型農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，優化模具結構設計對改善零件成形條件、提高產品質量和成品率、降低模具加工難度的重要意義。
1農用拖拉機濾清器的優化設計
該機油濾清器外殼形狀及關鍵尺寸如圖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。原成形模具是按照衝壓工藝中鐓壓成形來設計的[2]，原模具結構如圖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計，其設計理念為成形凸模和成形凹模中間的間隙就是零件，即按照型腔模來設計（形象地稱之為“兩塊鐵夾一片料”）。這種模具結構設計一方面為模具製造加工帶來了極大的不便，因為公司沒有電火花成型加工裝置，沒有仿形銑床或是座標銑床等高階加工裝置，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，導致成形後外殼上的凹槽不美觀，也滿足不了零件的尺寸要求，影響零件的耐壓效能[3-4]。另一方面，模具的維修保養也相當困難，比如凸凹模的成形部分圓角磨損後，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，因此現場操作工和模具製造車間強烈要求對此進行改進。
工藝計算如下：
式中，L1為起伏成形後沿介面的材料長度（mm）；L為起伏成形前材料原長（mm）；δ為材料的延伸率，查閱相關資料，該例中該材料數值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設計軟體測量/查詢得到）。經過計算，長度方向和寬度方向上的結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得到了驗證）。
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裝置一次加工出6個孔（槽），加工精度有保證，嵌件和上模採用H7/m6配合，嵌件的外形可採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，下模也做成兩體結構，其中成形凹模與下模之間也採用H7/m6配合，並加入防轉鍵，並用螺栓固定，加入防轉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，產生類似於淺拉伸成形中凸模與凹模的關係。在薄板衝壓的拉伸工藝中，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構。
最後，模具上下模成形部分工藝尺寸的確定。由於起伏成形不是拉伸成形，不能照搬照套拉伸模的設計，因此以成形凹模為例，該模具成形凹模的尺寸設計計算方法如下（圖3）：藉助CAD設計軟體，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設計軟體補齊圓角，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採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設計軟體就可以很方便標註出尺寸，然後加上相應的公差，就可以做出零件的加工圖紙，大大簡化了設計，減少了設計者的工作量。
2 優化效果
經過優化設計後，該模具具有以下特點：一是採用較為流行的模組化設計，其成型部分做成單獨的部件，方便了加工製造，也方便了易損件的準備，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。既節約了加工工時，又大大節約了製造材料，並且減輕了模具的維護保養，一舉數得。二是採用了新的設計理念，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，使用簡單的加工裝置即可完成模具的製造，除嵌件成形部分的圓角由鉗工手工修出以外，其餘成形型面均可以使用常見的機械裝置加工進行加工，避免使用昂貴的數控銑床等高階加工裝置。新結構模具投入使用後生產出的零件頂部產生的6個加強筋（槽）清晰、飽滿，無壓痕，符合圖紙要求，並且經過測試，滿足該濾清器的耐壓要求。優化設計後的模具投入使用後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綜述[J].資源節約與環保，2010（3）：48-49.
[2] 王孝培.衝壓手冊[M].北京：機械工業出版社，2004.
[3] 齊福全.拖拉機空氣濾清器的正確使用[J].農村科技，2008（11）：59.
[4] 張世忠，王志田.拖拉機作業要保養好空氣濾清器[J].農業科學實驗，2008（5）：30.
關鍵詞農用拖拉機；可換式機油濾清器；模具結構；優化設計；效果
金威濾清器有限公司是國內專業內燃機“三濾”製造商，是目前國內最大的生產機油、燃油和空氣濾清器的專業公司，系中國汽車零部件行業的大型重點骨幹企業，每年大約生產各類濾清器3 000萬隻[1]。每年公司投入各種薄板金屬零件衝壓成形模具600多套，因此優化模具結構，以改善衝壓件成形，提高生產效率尤為重要。現以公司為某型農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，優化模具結構設計對改善零件成形條件、提高產品質量和成品率、降低模具加工難度的重要意義。
1農用拖拉機濾清器的優化設計
該機油濾清器外殼形狀及關鍵尺寸如圖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。原成形模具是按照衝壓工藝中鐓壓成形來設計的[2]，原模具結構如圖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計，其設計理念為成形凸模和成形凹模中間的間隙就是零件，即按照型腔模來設計（形象地稱之為“兩塊鐵夾一片料”）。這種模具結構設計一方面為模具製造加工帶來了極大的不便，因為公司沒有電火花成型加工裝置，沒有仿形銑床或是座標銑床等高階加工裝置，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，導致成形後外殼上的凹槽不美觀，也滿足不了零件的尺寸要求，影響零件的耐壓效能[3-4]。另一方面，模具的維修保養也相當困難，比如凸凹模的成形部分圓角磨損後，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，因此現場操作工和模具製造車間強烈要求對此進行改進。
工藝計算如下：
式中，L1為起伏成形後沿介面的材料長度（mm）；L為起伏成形前材料原長（mm）；δ為材料的延伸率，查閱相關資料，該例中該材料數值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設計軟體測量/查詢得到）。經過計算，長度方向和寬度方向上的結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得到了驗證）。
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裝置一次加工出6個孔（槽），加工精度有保證，嵌件和上模採用H7/m6配合，嵌件的外形可採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，下模也做成兩體結構，其中成形凹模與下模之間也採用H7/m6配合，並加入防轉鍵，並用螺栓固定，加入防轉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，產生類似於淺拉伸成形中凸模與凹模的關係。在薄板衝壓的拉伸工藝中，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構。
最後，模具上下模成形部分工藝尺寸的確定。由於起伏成形不是拉伸成形，不能照搬照套拉伸模的設計，因此以成形凹模為例，該模具成形凹模的尺寸設計計算方法如下（圖3）：藉助CAD設計軟體，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設計軟體補齊圓角，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採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設計軟體就可以很方便標註出尺寸，然後加上相應的公差，就可以做出零件的加工圖紙，大大簡化了設計，減少了設計者的工作量。
2 優化效果
經過優化設計後，該模具具有以下特點：一是採用較為流行的模組化設計，其成型部分做成單獨的部件，方便了加工製造，也方便了易損件的準備，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。既節約了加工工時，又大大節約了製造材料，並且減輕了模具的維護保養，一舉數得。二是採用了新的設計理念，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，使用簡單的加工裝置即可完成模具的製造，除嵌件成形部分的圓角由鉗工手工修出以外，其餘成形型面均可以使用常見的機械裝置加工進行加工，避免使用昂貴的數控銑床等高階加工裝置。新結構模具投入使用後生產出的零件頂部產生的6個加強筋（槽）清晰、飽滿，無壓痕，符合圖紙要求，並且經過測試，滿足該濾清器的耐壓要求。優化設計後的模具投入使用後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綜述[J].資源節約與環保，2010（3）：48-49.
[2] 王孝培.衝壓手冊[M].北京：機械工業出版社，2004.
[3] 齊福全.拖拉機空氣濾清器的正確使用[J].農村科技，2008（11）：59.
[4] 張世忠，王志田.拖拉機作業要保養好空氣濾清器[J].農業科學實驗，2008（5）：30.
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