偏心軸的冷溫復合擠壓工藝及模具設計

偏心軸的冷溫復合擠壓工藝及模具設計2010年05月25日來源：萬方數(shù)據(jù)瀏覽：懸51次懸【字體：大中小】本文所述零件一一偏心軸，是電動工具電錘的重要傳動零件。在工作時通過偏心機構使電錘的鉆頭除了高速旋轉外，還要沿軸向產生沖擊運動，因此零件要承受很大的沖擊載荷，而且電錘的工作環(huán)境惡劣、多粉塵，零件易磨損。圖1為偏心軸零件圖。通過對該零件原工藝存在問題的分析，經過反復試驗，提出新工藝，取得了良好的效果。1熱模鍛工藝分析偏心軸零件的材料為40Cr,零件成形后采用熱處理調質處理。零件由偏心頭部、不規(guī)則盤部和桿部三部分組成，為外形非對稱結構、非等截面的零件。原成形工藝為開式熱模鍛成形，在模鍛成形前，先要將等截面的圓坯料制坯成帶有頭部的桿形毛坯。然后模鍛成形。成形后的鍛件沿軸向外形有一圈飛邊，鍛后要切除飛邊。飛邊切除后不對稱盤部會有殘留飛邊，還必須采用仿形加工或數(shù)控機床加工出桃形的盤部，并采用專用的夾具精車削偏心的頭部桿狀，生產成本較高。再者，由于熱鍛件的尺寸精度差，表面粗糙度值高，材料消耗大，不利于精化鍛件。顯然，熱模鍛工藝無論在生產效率、材料利用率和鍛件尺寸精度等方面都難以滿足零件的高精度、大批量生產。L5xO2J5Litdij JIP.L5xO2J5Litdij JIP."iWfW'…ir(J4■■■■■F廠??￡二i賢補?丄??■*~[匚叮二飛(b)三堆圖圖1偏心軸零件圖2擠壓工藝方案分析擠壓成形工藝是一種少無切削的成形技術，特別對于回轉體、等截面的金屬零件的成形，在提高生產效率、降低原材料消耗和提高工件的尺寸精度。減少后道工序的機械加工量方面具有較大的優(yōu)越性。本零件呈回轉體、部分等截面的外形特征，適宜于擠壓成形。從零件成形的技術經濟性方面考慮，冷擠壓成形方案要優(yōu)于溫擠壓。這是因為：冷擠壓技術不需要坯料的軟化加熱；成形件的擠壓力和成形件的尺寸精度不受成形溫度的影響；成形件的尺寸精度高、表面粗糙度值低。但是也存在擠壓力大，許用變形程度低等不足。而溫擠壓技術在彌補冷擠壓技術不足方面也有較大的優(yōu)勢。2?1溫擠壓直接成形工藝

考慮到不經預成形的直接擠壓成形工藝。由等截面毛坯直接成形最終工件的變形程度非常大，擠壓力會很大，模具的單位負荷也會急劇上升等方面因素。在工藝試驗和分析時首先采用了溫擠壓直接成形工藝，其工藝路線如圖2所示。■表面處瑾■表面處瑾潤滑圖2直接擠壓成形溫擠壓直接成形工藝的主要工藝過程：原毛坯冷剪切下料、冷鐓粗、表面處理（拋丸處理：去除毛坯表面的油污及氧化皮）、毛坯表面潤滑處理、毛坯加熱（始鍛溫度750°C）、溫擠壓成形。經過多次試驗，該工藝方案存在如下問題：①成形過程中，坯料的金屬除了沿凸模的運動方向流動外。還有部分金屬沿凸模運動方向相反的方向流動，屬于復合擠壓。造成偏心頭部的金屬量難以控制，上部金屬流入過多。而下模型腔則充不滿。②由于金屬的變形程度大，擠壓力急劇上升。模具負荷過大，嚴重影響模具壽命。③直接溫擠壓時，由等截面的圓毛坯直接成形，鍛件得軸向金屬分配不均勻，造成桿部金屬流入不足，而桃形盤不僅金屬量較多，而且形成很大的飛邊。顯然，由等截面毛坯直接成形本零件不僅變形程度大，而且由于非常大的接觸應力的作用，成形時造成工件桿部下端充不滿的缺陷。溫擠壓時金屬的流動性要明顯優(yōu)于冷擠壓，若采用冷擠壓技術直接成形本零件，除了會超出金屬的許用變形程度外，零件桿部充不滿的缺陷仍然不能解決。2?2冷溫復合擠壓工藝對等截面毛坯進行制坯，使坯料的主要截面與零件相應處的截面的金屬量接近，則可以極大地改善金屬在終成形模膛的流動狀況，同時對于改善坯料與模具型腔表面的摩擦條件，提高終鍛模具的壽命也起到積極作用。圖3為冷溫復合擠壓工藝。在冷溫復合擠壓工藝中，原毛坯經鐓粗、軟化退化和坯料表面潤滑處理后，進行冷擠壓制坯、成形。冷擠壓制坯工序采用正擠壓成形，工藝簡單、成形性能好、生產效率高，冷擠壓預成形工件見圖4?！獫櫥猅T—表面處理一潤淆—to熱 圖3為冷溫復合擠壓工藝申M3圖4預成形工件由于終成形采用溫擠壓技術，經冷擠壓成形后的預成形工件不再進行軟化退火處理,通過坯料感應加熱來軟化坯料。3關鍵工序設計及參數(shù)計算3?1預成形工序變形程度許用變形程度越大，工序就越少，生產率也就越高，但單位擠壓力也隨之增大，模具的負荷也相應增加。因此。在擠壓成形過程中應該嚴格控制其變形程度。預成形正擠壓工序的變形程度:斷面收縮率：印=蟲合xIOO%^69,4%4OCr在許用單位擠壓力2000MPa。毛坯高徑比hO/dO=1.O,凹模入模角a=120°時,許用變形程度￡A許用=67%?72%。許用變形程度的凹模錐角修正系數(shù)Qa^O.99；正擠壓許用變形程度的毛坯件對高度修正系數(shù)QHM.0；經修正后的實際許用變形程度￡A許用=66.3%?71.3%:預成形正擠壓時金屬的實際變形程度￡A<￡A許用。因此，預成形件可以一次正擠壓成形。3?2表面處理及潤滑擠壓時，變形金屬與模具型腔壁產生很大的接觸應力，不進行潤滑，擠壓是難以順利進行的。磷皂化潤滑處理是鋼冷擠壓潤滑的有效方法，能顯著減小擠壓時坯料與模壁的接觸應力，故預成形正擠壓采用磷皂化潤滑處理。但是磷皂化處理不能適應溫擠壓成形，因為一旦坯料的加熱溫度高于250°C。磷化層和皂化劑會發(fā)生改性甚至燒焦。使?jié)櫥瑮l件惡化。不但不能起到潤滑作用，反而增加了坯料與模壁的摩擦力。在試驗的前期采用了在模具型腔中涂二硫化鉬加油劑作為溫擠壓時的潤滑，從減低變形抗力和提高模具壽命方面看，其效果還是比較顯著的。但是，這種方法影響了生產效率，而且油劑在高溫下要產生大量的煙霧，使得生產條件惡化，污染空氣。為此采用一種特殊的高分子材料作為載體的水劑石墨潤滑劑。其在中高溫度使用時潤滑性能接近冷擠壓時的磷皂化效果，而且在中高溫下不分解，熱穩(wěn)定性好，對人體也沒有危害。尤其顯著的特點是使用時不需要對模腔或坯料進行噴涂。而是在坯料加熱前進行浸涂，晾干后即可加熱進行溫擠壓。浸涂潤滑劑工藝過程：擠壓前將坯料作拋丸等處理，清理銹跡、污垢等。然后加熱至200°C左右，出爐浸入水劑石墨潤滑劑中，快速搗勻，吊起瀝干殘液，在干燥處攤開晾干。浸涂潤滑劑后的坯料表面必須留有0.03?0.10mm厚的薄膜，呈黑炭色，并有明顯的黑灰色小點；若不然必須重新浸涂。3?3加熱成形溫度是溫擠壓工藝能否順利進行的關鍵因素。確定溫擠壓成形溫度的原則是：①選擇在金屬材料塑性好。變形抗力顯著下降的溫度范圍；②選擇在金屬材料發(fā)生劇烈氧化前的溫度范圍，以保證在非保護性氣氛中加熱時氧化極微；③選擇的潤滑劑能達到最小摩擦系數(shù)，不因高溫或低于其使用溫度而失效；④選擇在金屬材料成形后能強化和不改變其組織結構的溫度范圍。圖5是40Cr的溫度一強度關系曲線。從圖可見，隨著溫度的升高，變形抗力總的呈降低趨勢。但在300C左右，曲線的下降出現(xiàn)反彈，金屬變形抗力明顯增大，強度增加，伸長率和斷面收縮率減小。即塑性下降。也就是所謂的'藍脆”現(xiàn)象，成形溫度應盡可能避開這一溫度區(qū)域。圖540Cr的溫度一強度曲線隨著溫度的升高，塑性指標上升。特別在600C以上溫度時，金屬的強度顯著下降，相應的塑性指標上升，金屬的流動性明顯改善，有利于塑性成形。為滿足擠壓時對鋼塑性的要求，在溫擠壓高強度的材料時往往選擇在鋼的相變溫度以上進行擠壓。在相變區(qū)擠壓，即鐵一碳平衡相圖Ac1與Ac3線之間擠壓。此時，很多高強度鋼及合金在相變區(qū)內組織正處于向奧氏體轉變，塑性好，變形抗力小，有利于擠壓成形。加熱溫度高于800°C時金屬的氧化變得十分劇烈，氧化皮的生成對于增加模具型腔的磨損、工件的尺寸精度和表面粗糙度值都有很大的影響。故將40Cr的加熱溫度確定在600?800C之間是合適的。溫擠壓工序的實際加熱溫度是750C，加熱手段采用2500Hz的中頻感應加熱爐。因為感應加熱時間很短，加熱后的坯料氧化現(xiàn)象極微，經金相分析沒有發(fā)現(xiàn)新增脫碳層。3?4溫擠壓成形溫擠壓成形工序主要解決零件偏心盤部及其上部的偏心桿的成形。為了達到較好的成形效果，對零件的軸桿部進行了簡化，保留了關鍵部分的兩個臺階，其余均設計成等截面的桿部，見圖6。圖6溫擠壓工件根據(jù)介紹，40Cr在700C成形的許用模具的冷卻。實踐證明：溫擠壓，特別是中高溫擠壓時，模具的冷卻系統(tǒng)設計不合理或冷卻不充分，將導致模具的早期失效。當溫擠壓成形溫度在600C以上時，若冷卻不充分。即使采用了較好的模具材料，在較大的負荷作用下，也會導致模具，特別是凸模的回火軟化，不能發(fā)揮模具的潛在壽命。鋼溫擠壓時，坯料的加熱溫度一般在800C以下。而且國內普遍采用通用型曲柄壓力機或油壓機等設備成形，速度較慢。從坯料入模至工件成形，一般需3?5s的時間，模具的受熱時間也相對較長，溫升就較快。這時若采用大量冷卻水噴射冷卻，勢必造成坯料過冷，同時也會沖涮或稀釋模壁與坯料間的潤滑劑。使變形抗力急劇上升，溫擠壓不能正常進行。圖7為溫擠壓模。由于溫擠壓凸模的徑向尺寸有限。不能在凸模內開設冷卻水槽，在模具設計時采用了噴霧冷卻，即冷卻水和壓縮空氣混合而成的一種水汽，將噴霧裝置安裝在

凸模上方。呈環(huán)形布置。當開模時，霧汽從若干個噴嘴噴出，對凸模進行冷卻。它的優(yōu)點在于：冷卻霧汽遇到凸模變形程度約84%。本零件溫擠壓成形溫度在750°C時，其實際變形程度達到了90.8%，滿足相應溫度下的許用變形程度要求。從實際的變形及零件的質量來看，經預成形后的坯料直接溫擠壓成形是可行的。NN常赳燿<=起琲聖1?下頂桿2?下模座3?下模板4?下頂塊5?下模座墊板6?下成形頂桿7?凹模墊塊8?凹模同定圈9?凹模10?中層預應力全11.外層預應力網12.凸模同定圈13.上模座14.上模板15.導向套16?凸模墊塊17.上頂桿118.上模頂桿219.上模頂桿320.凸模21.冷卻水管接頭圖7溫擠壓成形模4模具設計溫擠壓成形兼具了冷、熱成形的特點，因此溫擠壓時不僅要考慮模具的潤滑。也必須充分考慮后。在對凸模冷卻的同時馬上會蒸發(fā)，因此不會造成坯料的過冷;其次，由于霧汽是冷卻水和壓縮空氣混合而成的。通過調節(jié)汽、液閥門可以控制冷卻水和壓縮空氣的比例。從而可以達到最佳的冷卻效果；再者，由于冷卻噴霧通過銅管上若干個噴嘴噴出，冷卻均勻，不會形成較大的溫度應力，從而有利于延長凸模的使用壽命。凹模冷卻機構是在預應力圈（外圈和內圈）的內壁開設若干圈環(huán)形水槽。使水在外圈和內圈內部分別環(huán)繞數(shù)周，帶走凹模的熱量再流入冷卻裝置，見圖7中冷卻水管接頭21。為了便于安裝冷卻系統(tǒng)，并且不影響預應力圈的強度，在設計預應力圈時。外形尺寸應根據(jù)實際生產中的經驗進行調整，取推薦值的上限。為了保證工件溫擠壓后的出模。溫擠壓模除了設計有下頂料機構外。還在上模設計了內卸料機構，保證工件能順利出模。5結論（1） 采用冷溫復合擠壓成形工藝可以兼具冷擠壓和溫擠壓技術各