偏心軸的冷溫復(fù)合擠壓工藝及模具設(shè)計(jì)

偏心軸的冷溫復(fù)合擠壓工藝及模具設(shè)計(jì)2010年05月25日來(lái)源：萬(wàn)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(dòng)工具電錘的重要傳動(dòng)零件。在工作時(shí)通過(guò)偏心機(jī)構(gòu)使電錘的鉆頭除了高速旋轉(zhuǎn)外，還要沿軸向產(chǎn)生沖擊運(yùn)動(dòng)，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(guò)對(duì)該零件原工藝存在問(wèn)題的分析，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，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(diào)質(zhì)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(duì)稱結(jié)構(gòu)、非等截面的零件。原成形工藝為開(kāi)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(duì)稱盤部會(huì)有殘留飛邊，還必須采用仿形加工或數(shù)控機(jī)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(chǎn)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(wú)論在生產(chǎn)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(chǎn)。L5xO2J5Litdij JIP.L5xO2J5Litdij JIP."iWfW'…ir(J4■■■■■F廠??￡二i賢補(bǔ)?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(wú)切削的成形技術(shù)，特別對(duì)于回轉(zhuǎn)體、等截面的金屬零件的成形，在提高生產(chǎn)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(jī)械加工量方面具有較大的優(yōu)越性。本零件呈回轉(zhuǎn)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(shù)經(jīng)濟(jì)性方面考慮，冷擠壓成形方案要優(yōu)于溫?cái)D壓。這是因?yàn)椋豪鋽D壓技術(shù)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?cái)D壓技術(shù)在彌補(bǔ)冷擠壓技術(shù)不足方面也有較大的優(yōu)勢(shì)。2?1溫?cái)D壓直接成形工藝

考慮到不經(jīng)預(yù)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(huì)很大，模具的單位負(fù)荷也會(huì)急劇上升等方面因素。在工藝試驗(yàn)和分析時(shí)首先采用了溫?cái)D壓直接成形工藝，其工藝路線如圖2所示?！霰砻嫣庤霰砻嫣庤獫?rùn)滑圖2直接擠壓成形溫?cái)D壓直接成形工藝的主要工藝過(guò)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(rùn)滑處理、毛坯加熱（始鍛溫度750°C）、溫?cái)D壓成形。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，該工藝方案存在如下問(wèn)題：①成形過(guò)程中，坯料的金屬除了沿凸模的運(yùn)動(dòng)方向流動(dòng)外。還有部分金屬沿凸模運(yùn)動(dòng)方向相反的方向流動(dòng)，屬于復(fù)合擠壓。造成偏心頭部的金屬量難以控制，上部金屬流入過(guò)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(fù)荷過(guò)大，嚴(yán)重影響模具壽命。③直接溫?cái)D壓時(shí)，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(yīng)力的作用，成形時(shí)造成工件桿部下端充不滿的缺陷。溫?cái)D壓時(shí)金屬的流動(dòng)性要明顯優(yōu)于冷擠壓，若采用冷擠壓技術(shù)直接成形本零件，除了會(huì)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(fù)合擠壓工藝對(duì)等截面毛坯進(jìn)行制坯，使坯料的主要截面與零件相應(yīng)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(dòng)狀況，同時(shí)對(duì)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(fù)合擠壓工藝。在冷溫復(fù)合擠壓工藝中，原毛坯經(jīng)鐓粗、軟化退化和坯料表面潤(rùn)滑處理后，進(jìn)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(jiǎn)單、成形性能好、生產(chǎn)效率高，冷擠壓預(yù)成形工件見(jiàn)圖4?！獫?rùn)滑—TT—表面處理一潤(rùn)淆—to熱 圖3為冷溫復(fù)合擠壓工藝申M3圖4預(yù)成形工件由于終成形采用溫?cái)D壓技術(shù)，經(jīng)冷擠壓成形后的預(yù)成形工件不再進(jìn)行軟化退火處理,通過(guò)坯料感應(yīng)加熱來(lái)軟化坯料。3關(guān)鍵工序設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算3?1預(yù)成形工序變形程度許用變形程度越大，工序就越少，生產(chǎn)率也就越高，但單位擠壓力也隨之增大，模具的負(fù)荷也相應(yīng)增加。因此。在擠壓成形過(guò)程中應(yīng)該嚴(yán)格控制其變形程度。預(yù)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(shí),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(duì)高度修正系數(shù)QHM.0；經(jīng)修正后的實(shí)際許用變形程度￡A許用=66.3%?71.3%:預(yù)成形正擠壓時(shí)金屬的實(shí)際變形程度￡A<￡A許用。因此，預(yù)成形件可以一次正擠壓成形。3?2表面處理及潤(rùn)滑擠壓時(shí)，變形金屬與模具型腔壁產(chǎn)生很大的接觸應(yīng)力，不進(jìn)行潤(rùn)滑，擠壓是難以順利進(jìn)行的。磷皂化潤(rùn)滑處理是鋼冷擠壓潤(rùn)滑的有效方法，能顯著減小擠壓時(shí)坯料與模壁的接觸應(yīng)力，故預(yù)成形正擠壓采用磷皂化潤(rùn)滑處理。但是磷皂化處理不能適應(yīng)溫?cái)D壓成形，因?yàn)橐坏┡髁系募訜釡囟雀哂?50°C。磷化層和皂化劑會(huì)發(fā)生改性甚至燒焦。使?jié)櫥瑮l件惡化。不但不能起到潤(rùn)滑作用，反而增加了坯料與模壁的摩擦力。在試驗(yàn)的前期采用了在模具型腔中涂二硫化鉬加油劑作為溫?cái)D壓時(shí)的潤(rùn)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(chǎn)效率，而且油劑在高溫下要產(chǎn)生大量的煙霧，使得生產(chǎn)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(rùn)滑劑。其在中高溫度使用時(shí)潤(rùn)滑性能接近冷擠壓時(shí)的磷皂化效果，而且在中高溫下不分解，熱穩(wěn)定性好，對(duì)人體也沒(méi)有危害。尤其顯著的特點(diǎn)是使用時(shí)不需要對(duì)模腔或坯料進(jìn)行噴涂。而是在坯料加熱前進(jìn)行浸涂，晾干后即可加熱進(jìn)行溫?cái)D壓。浸涂潤(rùn)滑劑工藝過(guò)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(rùn)滑劑中，快速搗勻，吊起瀝干殘液，在干燥處攤開(kāi)晾干。浸涂潤(rùn)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(diǎn)；若不然必須重新浸涂。3?3加熱成形溫度是溫?cái)D壓工藝能否順利進(jìn)行的關(guān)鍵因素。確定溫?cái)D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(hù)性氣氛中加熱時(shí)氧化極微；③選擇的潤(rùn)滑劑能達(dá)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(qiáng)化和不改變其組織結(jié)構(gòu)的溫度范圍。圖5是40Cr的溫度一強(qiáng)度關(guān)系曲線。從圖可見(jiàn)，隨著溫度的升高，變形抗力總的呈降低趨勢(shì)。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(qiáng)度增加，伸長(zhǎng)率和斷面收縮率減小。即塑性下降。也就是所謂的'藍(lán)脆”現(xiàn)象，成形溫度應(yīng)盡可能避開(kāi)這一溫度區(qū)域。圖540Cr的溫度一強(qiáng)度曲線隨著溫度的升高，塑性指標(biāo)上升。特別在600C以上溫度時(shí)，金屬的強(qiáng)度顯著下降，相應(yīng)的塑性指標(biāo)上升，金屬的流動(dòng)性明顯改善，有利于塑性成形。為滿足擠壓時(shí)對(duì)鋼塑性的要求，在溫?cái)D壓高強(qiáng)度的材料時(shí)往往選擇在鋼的相變溫度以上進(jìn)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(shí)，很多高強(qiáng)度鋼及合金在相變區(qū)內(nèi)組織正處于向奧氏體轉(zhuǎn)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(shí)金屬的氧化變得十分劇烈，氧化皮的生成對(duì)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?cái)D壓工序的實(shí)際加熱溫度是750C，加熱手段采用2500Hz的中頻感應(yīng)加熱爐。因?yàn)楦袘?yīng)加熱時(shí)間很短，加熱后的坯料氧化現(xiàn)象極微，經(jīng)金相分析沒(méi)有發(fā)現(xiàn)新增脫碳層。3?4溫?cái)D壓成形溫?cái)D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(dá)到較好的成形效果，對(duì)零件的軸桿部進(jìn)行了簡(jiǎn)化，保留了關(guān)鍵部分的兩個(gè)臺(tái)階，其余均設(shè)計(jì)成等截面的桿部，見(jiàn)圖6。圖6溫?cái)D壓工件根據(jù)介紹，40Cr在700C成形的許用模具的冷卻。實(shí)踐證明：溫?cái)D壓，特別是中高溫?cái)D壓時(shí)，模具的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理或冷卻不充分，將導(dǎo)致模具的早期失效。當(dāng)溫?cái)D壓成形溫度在600C以上時(shí)，若冷卻不充分。即使采用了較好的模具材料，在較大的負(fù)荷作用下，也會(huì)導(dǎo)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?cái)D壓時(shí)，坯料的加熱溫度一般在800C以下。而且國(guó)內(nèi)普遍采用通用型曲柄壓力機(jī)或油壓機(jī)等設(shè)備成形，速度較慢。從坯料入模至工件成形，一般需3?5s的時(shí)間，模具的受熱時(shí)間也相對(duì)較長(zhǎng)，溫升就較快。這時(shí)若采用大量冷卻水噴射冷卻，勢(shì)必造成坯料過(guò)冷，同時(shí)也會(huì)沖涮或稀釋模壁與坯料間的潤(rùn)滑劑。使變形抗力急劇上升，溫?cái)D壓不能正常進(jìn)行。圖7為溫?cái)D壓模。由于溫?cái)D壓凸模的徑向尺寸有限。不能在凸模內(nèi)開(kāi)設(shè)冷卻水槽，在模具設(shè)計(jì)時(shí)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(dāng)開(kāi)模時(shí)，霧汽從若干個(gè)噴嘴噴出，對(duì)凸模進(jìn)行冷卻。它的優(yōu)點(diǎn)在于：冷卻霧汽遇到凸模變形程度約84%。本零件溫?cái)D壓成形溫度在750°C時(shí)，其實(shí)際變形程度達(dá)到了90.8%，滿足相應(yīng)溫度下的許用變形程度要求。從實(shí)際的變形及零件的質(zhì)量來(lái)看，經(jīng)預(yù)成形后的坯料直接溫?cái)D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(yù)應(yīng)力全11.外層預(yù)應(yīng)力網(wǎng)12.凸模同定圈13.上模座14.上模板15.導(dǎo)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?cái)D壓成形模4模具設(shè)計(jì)溫?cái)D壓成形兼具了冷、熱成形的特點(diǎn)，因此溫?cái)D壓時(shí)不僅要考慮模具的潤(rùn)滑。也必須充分考慮后。在對(duì)凸模冷卻的同時(shí)馬上會(huì)蒸發(fā)，因此不會(huì)造成坯料的過(guò)冷;其次，由于霧汽是冷卻水和壓縮空氣混合而成的。通過(guò)調(diào)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(dá)到最佳的冷卻效果；再者，由于冷卻噴霧通過(guò)銅管上若干個(gè)噴嘴噴出，冷卻均勻，不會(huì)形成較大的溫度應(yīng)力，從而有利于延長(zhǎng)凸模的使用壽命。凹模冷卻機(jī)構(gòu)是在預(yù)應(yīng)力圈（外圈和內(nèi)圈）的內(nèi)壁開(kāi)設(shè)若干圈環(huán)形水槽。使水在外圈和內(nèi)圈內(nèi)部分別環(huán)繞數(shù)周，帶走凹模的熱量再流入冷卻裝置，見(jiàn)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(yù)應(yīng)力圈的強(qiáng)度，在設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力圈時(shí)。外形尺寸應(yīng)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整，取推薦值的上限。為了保證工件溫?cái)D壓后的出模。溫?cái)D壓模除了設(shè)計(jì)有下頂料機(jī)構(gòu)外。還在上模設(shè)計(jì)了內(nèi)卸料機(jī)構(gòu)，保證工件能順利出模。5結(jié)論（1） 采用冷溫復(fù)合擠壓成形工藝可以兼具冷擠壓和溫?cái)D壓技術(shù)各