二軸冷鐓擠成形工藝的研究與應(yīng)用

謝秀紅，吳本剛，關(guān)鴻

(1.江蘇省技術(shù)產(chǎn)權(quán)交易所，江蘇 南京 210008;2.南京汽車(chē)集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 210037;3.南京汽車(chē)鍛造有限公司，江蘇南京 210033)

二軸是汽車(chē)變速箱中的一個(gè)重要零件。在傳統(tǒng)的機(jī)械加工生產(chǎn)中使用的是熱模鍛(或胎模鍛)毛坯。熱模鍛毛坯的缺點(diǎn)是毛坯表面較粗糙、尺寸精度低、機(jī)加工余量大、生產(chǎn)效率低，從而造成機(jī)加工成本偏高。近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)轎車(chē)制造業(yè)的興起，也為了適應(yīng)大批量生產(chǎn)和進(jìn)口的先進(jìn)機(jī)加工生產(chǎn)線的需求，二軸毛坯的制造方法普遍向冷擠壓工藝方向發(fā)展。

躍進(jìn)集團(tuán)南亞公司生產(chǎn)的NJ1020系列轎車(chē)，其零件的機(jī)加工生產(chǎn)線是從西班牙引進(jìn)的，其中二軸生產(chǎn)線所要求的二軸毛坯必須為冷擠壓件(圖1)。冷擠壓毛坯圖中徑向尺寸公差帶為0.3 mm，切削加工所要求的硬度范圍是HB160～229，毛坯內(nèi)部金相組織5～8級(jí)，毛坯質(zhì)量為2.21 kg，材料為鋼 20MnCr5。

圖1 冷擠壓件二軸毛坯

經(jīng)過(guò)工藝分析，此件采用d36.2的棒料冷擠壓成形較為合理。這樣就需要進(jìn)行縮徑正擠壓成形三次，鐓粗成形一次，共有四個(gè)成形工步。

a)各工步的變形力計(jì)算［1-2］

擠壓力:P=p×F(p為壓應(yīng)力，F(xiàn)為受力面積)

壓應(yīng)力:p=2cσ［ln(do/d1)+2μh/d1］e2μho/do

其中:c—材料硬化系數(shù);σ—材料變形應(yīng)力;do—坯料變形前直徑;d1—坯料變形后直徑;μ—擠壓摩擦系數(shù);h—凹模工作帶寬度;ho—坯料變形前高度。

(在計(jì)算中，考慮到只進(jìn)行一次軟化退火和一次磷、皂化處理的情況，各工步的變形硬化系數(shù)依次定為:c1=1.0、c2=1.5、c3=2.0;冷擠壓摩擦系數(shù)依次定為:μ1=0.07、μ2=0.10、μ3=0.15。)

b)經(jīng)過(guò)計(jì)算得出各縮徑正擠壓工步的變形力分別為:

1)縮徑工步(d36.2→d32.2)正擠壓力P1≈240 kN(斷面縮減率ψ1=20.9%);

2)縮徑工步(d32.2→d29.3)正擠壓力P2≈300 kN(斷面縮減率ψ2=17.2%);

3)縮徑工步(d29.3→d25)正擠壓力P3≈690 kN(斷面縮減率ψ3=27.2%);

c)鐓粗力P=ZNσ(1+dμD/4H)F其中Z，N，d均為形狀、變形系數(shù);

μ—鐓粗摩擦系數(shù);

σ—材料變形應(yīng)力;D—坯料鐓粗后直徑;

H—坯料鐓粗后高度;F—坯料鐓粗后投影面積

經(jīng)過(guò)計(jì)算得出鐓粗工步(d36.2→d57.5)的鐓粗力P4≈3 000 kN。

根據(jù)計(jì)算出的理論數(shù)據(jù)，制造了一系列簡(jiǎn)易的試驗(yàn)?zāi)＞?，利用現(xiàn)有的設(shè)備，通過(guò)多次的工藝試驗(yàn)，取得了豐富的第一手資料和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。從而驗(yàn)證了以上的理論變形力計(jì)算值和此工藝方案的可行性，還獲得了一些有益的啟示:

1)對(duì)二軸采取開(kāi)放式(即對(duì)坯料不變形部分不加穩(wěn)定性措施)的縮徑正擠壓工藝上可行，未變形部分沒(méi)有發(fā)生鐓粗和失穩(wěn)現(xiàn)象。

2)經(jīng)過(guò)多次縮徑正擠壓變形后，二軸小端(d25)端面會(huì)產(chǎn)明顯的縮陷，需留出適當(dāng)?shù)募庸び嗔?，最終去除縮陷部分。

綜合以上的計(jì)算和試驗(yàn)，不難發(fā)現(xiàn):縮徑正擠壓力P1，P2，P3均遠(yuǎn)小于鐓粗力P4，而且縮徑正擠壓過(guò)程中不變形部分均未發(fā)生鐓粗現(xiàn)象。也就是說(shuō)，鐓粗成形和縮徑成形可以在同一工步中分別單獨(dú)完成。所以就設(shè)想:能不能把縮徑工步(d36.2→d32.2)與鐓粗工步(d36.2→d57.5)組合到同一道工步中去。這樣一來(lái)，可省去一個(gè)工步，節(jié)約了工作時(shí)間，從而提高生產(chǎn)效率，并減少了冷擠壓模具對(duì)坯料表面磷、皂化膜的破壞，有利于下一步成形。圖2所示的冷擠壓工步圖就是根據(jù)這些想法制定出來(lái)的。它減少了一個(gè)工步，變成了三個(gè)工步。

圖2 冷擠壓工步圖

這樣一來(lái)，二軸的生產(chǎn)工藝流程可以確定為:

1)鋸切下料(原材料直徑d38);2)坯料軟化(等溫退火硬度HB160);3)機(jī)加工制坯(坯料直徑車(chē)削成d36.2±0.1);4)坯料潤(rùn)滑(表面磷、皂化處理);5)復(fù)合冷鐓擠成形(大頭d57.5和下端d32.2);6)擠d29.3段;7)擠d25段;8)剪切d25端頭。

圖3為第一工步復(fù)合冷鐓擠模。冷擠壓設(shè)備為500 t液壓機(jī)。這副模具采用了三對(duì)導(dǎo)柱、導(dǎo)套的模架結(jié)構(gòu)［35］。上、下模座平面的平行度不大于0.2 mm，上、下模座定位孔的同軸度不大于d0.05。其中的冷擠壓凹模均采用三層預(yù)應(yīng)力組合凹模結(jié)構(gòu)。模芯材料為高速鋼7Cr7Mo2V2Si(LD)，熱處理硬度HRC60～62，內(nèi)外應(yīng)力圈的材料為40Cr鋼和45鋼，熱處理硬度HRC35～45，配合的徑向過(guò)盈量為0.5～0.8 mm，內(nèi)外應(yīng)力圈采用冷壓合方式裝配。這樣既可以節(jié)約昂貴的模芯材料，也增加了模具的強(qiáng)度。

圖3 第一工步復(fù)合冷鐓擠模

模具的工作原理是:把經(jīng)過(guò)退火和磷、皂化處理的棒料插入下模腔3中，開(kāi)動(dòng)壓力機(jī)，上模1下壓，迫使棒料下端在縮徑模中變形(d36.2→φd32.2)，直到縮徑模4和墊模5的型腔被充滿為止;這時(shí)頂桿6開(kāi)始受力，縮徑成形結(jié)束。壓機(jī)繼續(xù)下壓，棒料上端鐓粗變形開(kāi)始，下模腔3先被充滿(d36.2→d36.4)，然后壓力急劇上升，最后中模腔2被充滿(d36.4→d57.5)。這時(shí)壓力達(dá)到最大值。至此變形結(jié)束。頂料機(jī)構(gòu)推動(dòng)下頂桿7和頂桿6頂出工件，工作結(jié)束。

模具采用了可更換的鑲塊式結(jié)構(gòu)［3，6］，通用性較好。換兩次縮徑模鑲塊就可以完成第二工步和第三工步的縮徑正擠壓變形。最后毛坯在沖床上剪切端頭。這樣二軸毛坯的冷擠壓生產(chǎn)過(guò)程就結(jié)束了。如生產(chǎn)批量增加，可再購(gòu)置兩臺(tái)100 t液壓機(jī)，組成一條冷擠壓生產(chǎn)線，這樣二軸毛坯的年產(chǎn)量預(yù)計(jì)可達(dá)幾十萬(wàn)件，經(jīng)濟(jì)效益高達(dá)幾百萬(wàn)元。

經(jīng)過(guò)調(diào)試生產(chǎn)，二軸毛坯的質(zhì)量完全達(dá)到西班牙圖樣和機(jī)加工單位的要求。冷擠壓毛坯表面光滑、無(wú)毛刺。塑性變形量最大的大頭(d57.5)和小端(d25)硬度最高，為HB229;未參與變形的部分(d36.2段)硬度最低，為HB170。毛坯內(nèi)部金相組織5～8級(jí)，較為理想，極易于切削加工。尺寸精度和各項(xiàng)機(jī)械性能都優(yōu)于國(guó)內(nèi)的冷擠壓專業(yè)協(xié)作廠。獲得了機(jī)加工單位的工人和技術(shù)人員的一致好評(píng)。

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究與摸索，經(jīng)歷了數(shù)不清的失敗和挫折，對(duì)冷擠壓從知之甚少到逐步摸清了其中的規(guī)律，這其中凝結(jié)了一大批技術(shù)人員和工人師傅們的智慧和創(chuàng)造性的勞動(dòng)。到目前為止，二軸冷擠壓模具已全部實(shí)現(xiàn)了自制，其使用壽命可達(dá)萬(wàn)次左右。在模具材料的鍛造和熱處理工藝方面，積累了很多寶貴的經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)還堅(jiān)持對(duì)冷擠壓操作人員進(jìn)行系統(tǒng)的理論培訓(xùn)和安全教育，以提高他們的理論水平和強(qiáng)化安全操作意識(shí)，減少了生產(chǎn)過(guò)程中的人為破壞因素，從而使此項(xiàng)工藝水平得到不斷的提高。

［1］王孝培，主編.沖壓手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

［2］趙震，陳軍，吳公明.冷溫?zé)釘D壓技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008.

［3］沖模設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫(xiě)組.沖模設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

［4］丁松聚.冷沖模設(shè)計(jì)［M］.上海:機(jī)械工業(yè)出版社，1994.

［5］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1997.

［6］徐靖.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1991.