花鍵軸振動(dòng)擠壓成形試驗(yàn)研究

張琦,賁寧宇,王聚存,楊凱,陳超

(1.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,710049,西安;2.中航工業(yè)南方航空工業(yè)(集團(tuán))有限公司,412002,湖南株洲)

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花鍵軸振動(dòng)擠壓成形試驗(yàn)研究

張琦1,賁寧宇1,王聚存2,楊凱1,陳超1

(1.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,710049,西安;2.中航工業(yè)南方航空工業(yè)(集團(tuán))有限公司,412002,湖南株洲)

針對花鍵軸擠壓成形制造效率低、模具所受載荷大的問題,采用了一種新的振動(dòng)輔助擠壓成形工藝,并進(jìn)行了花鍵軸成形試驗(yàn)、微觀組織分析和硬度測試,揭示了成形載荷的主要影響因素及金屬流動(dòng)規(guī)律。試驗(yàn)設(shè)備為振動(dòng)擠壓機(jī)床,采用模數(shù)為1.75、齒數(shù)為10的花鍵軸擠壓模具對直徑為17.9 mm、材料為AISI1045A的棒料進(jìn)行了振動(dòng)擠壓成形試驗(yàn),模具每進(jìn)給1 mm便回程0.5 mm,振動(dòng)頻率分別取10、15和20 Hz。結(jié)果表明:相比于直接擠壓,振動(dòng)擠壓成形過程的成形力可降低將近25%,原因是在模具回程過程中潤滑油得以流入模具與坯料的接觸面,重新生成油膜,從而減小了摩擦力;在試驗(yàn)頻率范圍內(nèi),成形載荷隨振動(dòng)頻率的提高而增大;振動(dòng)擠壓成形花鍵軸具有表面質(zhì)量高、成形速度快、材料流動(dòng)均勻的優(yōu)點(diǎn),且沿軸向齒頂圓直徑變化小,成形精度高;與傳統(tǒng)的直接擠壓成形相比,振動(dòng)擠壓成形花鍵軸齒型部位的硬度降低了近10%,有利于成形。

花鍵軸;振動(dòng)擠壓;材料流動(dòng)

傳統(tǒng)的花鍵軸加工方式以切削加工為主,加工過程簡單可靠,能夠保證花鍵軸的尺寸精度,但是刀具壽命短,加工效率低,而且加工的花鍵軸外形具有很大的局限性[1]。利用擠壓成形工藝加工花鍵軸可以提高花鍵軸的力學(xué)性能和加工效率[2]。在傳統(tǒng)的花鍵軸擠壓成形過程中,毛坯在模具中受三向壓應(yīng)力而使變形抗力顯著增大,導(dǎo)致擠壓模具所受的應(yīng)力大,模具容易在加工過程中出現(xiàn)磨損,而且較大的擠壓載荷也容易使花鍵軸產(chǎn)生屈曲變形,導(dǎo)致廢品率高,因而有必要對直接擠壓加工工藝進(jìn)行改進(jìn),以減小成形載荷。

近年來,振動(dòng)理論在機(jī)械加工領(lǐng)域內(nèi)得到了長足的發(fā)展。振動(dòng)輔助塑性加工能夠大幅度降低加工過程中的變形抗力,改善加工產(chǎn)品的質(zhì)量。隨著振動(dòng)利用研究的深入,振動(dòng)方法已廣泛應(yīng)用于制造業(yè),涉及振動(dòng)擺動(dòng)碾壓、超聲振動(dòng)拉深、超聲振動(dòng)微成形等領(lǐng)域[3-6]。將低頻振動(dòng)應(yīng)用于花鍵軸的擠壓成形過程,可以充分利用擠壓成形效率高、成形件塑性好的優(yōu)點(diǎn),因此,有必要對花鍵軸振動(dòng)擠壓成形工藝進(jìn)行深入研究。

1 振動(dòng)擠壓工藝原理

振動(dòng)擠壓工藝是使模具在擠壓過程中以一定頻率和振幅進(jìn)行振動(dòng)進(jìn)給的一種工藝。花鍵軸振動(dòng)擠壓成形過程如圖1所示,由模具往復(fù)運(yùn)動(dòng)對工件進(jìn)行冷擠壓軸向成形。圖1a所示為工件的裝夾過程,由夾緊裝置對工件進(jìn)行軸向與徑向的固定。徑向固定可使工件與模具對心,防止擠壓過程的屈曲;軸向固定則確保工件在振動(dòng)擠壓過程中不會(huì)由于摩擦力的作用而隨模具軸向移動(dòng)。圖1b所示為頂桿頂緊過程。振動(dòng)擠壓過程會(huì)導(dǎo)致材料沿與模具進(jìn)給方向相反方向的軸向流動(dòng),而頂桿可起到控制材料軸向流動(dòng)的作用,從而使材料向花鍵軸齒頂方向流動(dòng),保證成形精度。圖1c所示為模具以振動(dòng)的方式進(jìn)行擠壓成形。擠壓過程中模具的時(shí)間-位移曲線示意圖如圖1f所示:模具首先向下做進(jìn)給運(yùn)動(dòng),進(jìn)給量為Δs1,同時(shí)加入潤滑油,使其自模具向工件流入,隨后模具做回程運(yùn)動(dòng),回程量為Δs2(Δs2<Δs1),如圖1d所示。在模具回程過程中,潤滑油得以流入模具與坯料的接觸面。模具不斷重復(fù)圖1c與圖1d兩個(gè)過程,通過往復(fù)運(yùn)動(dòng)完成振動(dòng)擠壓過程。圖1e所示為模具與頂桿的回程過程。模具首先回程,然后頂桿再回程,這樣可確保工件順利拆卸。

(a)工件裝夾 (b)頂桿頂緊 (c)擠壓

(d)模具回程(e)擠壓結(jié)束 (f)模具位移-時(shí)間曲線圖1 花鍵軸振動(dòng)擠壓工藝過程示意圖

2 振動(dòng)擠壓工藝試驗(yàn)研究

試驗(yàn)所用成形設(shè)備為西安創(chuàng)新精密儀器研究所研制的振動(dòng)擠壓機(jī)床,如圖2所示。設(shè)備由液壓動(dòng)力源、進(jìn)給機(jī)構(gòu)、夾持機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和成形模具構(gòu)成。液壓動(dòng)力源配合液壓缸所能提供的最大軸向作用力為150 kN。成形工件是齒數(shù)為10、模數(shù)為1.75的花鍵軸。試驗(yàn)所用坯料是直徑為17.9 mm的1045A低碳鋼棒料,其化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為:C 0.34%～0.52%;Mn 0.51%～0.81%;Si 0.28%～0.48%;S 0.01%～0.069%;P 0.017%～0.044%。模具尺寸如圖3所示。擠壓模具每進(jìn)給1 mm后便回程0.5 mm,進(jìn)給行程與回程位移之比為2∶1。通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)成形振幅與頻率進(jìn)行試驗(yàn),并獲得相應(yīng)的位移-成形載荷曲線。

圖2 臥式振動(dòng)擠壓機(jī)床

圖3 擠壓模具尺寸

圖4 花鍵軸直接擠壓成形與振動(dòng)擠壓成形的位移-載荷曲線對比

為了對花鍵軸的振動(dòng)成形擠壓工藝和傳統(tǒng)直接擠壓成形工藝進(jìn)行比較,分別進(jìn)行了這2種工藝的擠壓成形試驗(yàn)。設(shè)定振動(dòng)擠壓過程中模具的振動(dòng)頻率為10 Hz。通過測量系統(tǒng)采集的模具位移-成形載荷曲線如圖4所示。從圖中可知,相比于直接擠壓成形,振動(dòng)擠壓成形過程的載荷降低了將近25%。振動(dòng)擠壓成形載荷減小的原因是在模具回程過程中,潤滑油得以流入模具與坯料的接觸面重新生成油膜,從而減小了摩擦力。此外,模具的往復(fù)進(jìn)給使得材料得以不斷回彈,而回彈的不均勻也為潤滑油膜的再生成提供了條件。

對比兩種不同工藝所成形的花鍵軸可以發(fā)現(xiàn):直接擠壓成形的花鍵軸(見圖5)表面損傷較多,粗糙度高,由于載荷較大,金屬流動(dòng)不均勻,導(dǎo)致花鍵軸沿軸向直徑變化較大,花鍵軸底部金屬堆積嚴(yán)重,存在局部鐓粗現(xiàn)象;振動(dòng)擠壓成形的花鍵軸(見圖6)表面光順,壓痕均勻,金屬流動(dòng)均勻且徑向直徑變化較小。

圖5 直接擠壓成形的花鍵軸

圖6 振動(dòng)擠壓成形的花鍵軸

花鍵軸沿軸向的齒頂圓直徑分布如圖7所示?？v坐標(biāo)D為花鍵軸齒頂圓的直徑,橫坐標(biāo)l為到花鍵軸頂端的距離。由圖7可知,振動(dòng)擠壓成形花鍵軸各位置的直徑相差較小,表明成形均勻,而直接擠壓成形的花鍵軸沿軸向齒頂圓直徑相差較大,表明金屬堆積現(xiàn)象嚴(yán)重。直接擠壓成形花鍵軸的最大直徑差為0.45 mm,是花鍵軸齒頂圓直徑的2.4%,相比振動(dòng)擠壓成形增大了1倍。

圖7 花鍵軸不同位置的直徑分布

直接擠壓成形過程中,材料隨著模具的進(jìn)給向后堆積,使成形載荷不斷增大,極易產(chǎn)生如圖8所示的工件屈曲現(xiàn)象。振動(dòng)擠壓的成形載荷顯著減小,且始終維持在一定范圍內(nèi),所加工的工件不但不會(huì)發(fā)生屈曲,而且成形速度快,表面質(zhì)量高(見圖9)。

取3種常用的低頻振動(dòng)擠壓成形頻率10、15和20 Hz進(jìn)行試驗(yàn),獲得了相應(yīng)的位移-載荷曲線,如圖10所示。由圖中可以看出:在試驗(yàn)的頻率范圍內(nèi),載荷隨著頻率的提高而增大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因與模具回程時(shí)潤滑油膜的再生成程度有關(guān)。在振動(dòng)頻率較高時(shí),潤滑油膜沒有充足的時(shí)間流入模具與坯料的接觸面來重新生成油膜,所以摩擦力增加,導(dǎo)致載荷增大。

圖8 直接擠壓成形花鍵軸的常見廢品

3 微觀組織研究

花鍵軸在擠壓過程中,材料的流動(dòng)可大致分為3個(gè)部分:一是材料向花鍵軸齒頂方向流動(dòng);二是材料隨模具進(jìn)給沿軸向在花鍵軸后部產(chǎn)生堆積,這部分是所有擠壓過程中不可避免的流動(dòng)方式,材料向后堆積阻礙了模具的軸向進(jìn)給,導(dǎo)致成形力增大,同時(shí)也使得用于成形齒型的材料減少;三是材料向模具進(jìn)給相反的方向沿軸向流動(dòng),為了限制這部分材料流動(dòng),需要在花鍵軸頂部加裝頂桿來輔助成形?？梢?成形過程中材料流動(dòng)的3個(gè)部分中只有第一部分是用于成形花鍵的。為了研究花鍵軸擠壓過程中材料組織與性能的變化情況,將直接擠壓成形與振動(dòng)擠壓成形得到的花鍵軸進(jìn)行切片,制得如圖11所示的金相觀察試樣。利用光學(xué)顯微鏡觀察試樣上所標(biāo)示的A、B、C三個(gè)區(qū)域的微觀組織,分別如圖12～圖14所示。

圖11 花鍵軸金相試樣

由圖12和圖13可知,花鍵軸的齒底部位受到壓縮,晶粒在成形過程中受到擠壓并向齒頂部位流動(dòng),從而充填齒型。對比圖12a與圖12b可知:直接擠壓成形花鍵軸齒型的表層受擠壓嚴(yán)重,金屬變形劇烈,其外側(cè)晶粒細(xì)小,晶粒細(xì)化帶寬約為50 μm;振動(dòng)擠壓成形時(shí)模具和花鍵軸金屬的接觸情況得到了改善,因此局部變形不劇烈,金屬容易流動(dòng),振動(dòng)擠壓成形過程對材料晶粒的影響范圍更大,花鍵軸在振動(dòng)擠壓成形過程中硬度降低,易于成形[7-8]。

圖12和圖13都表明,直接擠壓過程中對花鍵軸表面的金屬擠壓嚴(yán)重,工件在成形過程中金屬并沒有均勻流動(dòng)。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生不僅表明直接擠壓成形的摩擦力相比振動(dòng)擠壓成形更大,而且表明金屬并沒有向有利于花鍵軸成形的方向流動(dòng),由此產(chǎn)生了堆積。圖5和圖7都直接或間接地表明了這種材料堆積現(xiàn)象。

(a)直接擠壓成形花鍵軸的A區(qū)域

(b)振動(dòng)擠壓成形花鍵軸的A區(qū)域圖12 花鍵軸A區(qū)域的微觀組織

(a)直接擠壓成形花鍵軸的B區(qū)域

(b)振動(dòng)擠壓成形花鍵軸的B區(qū)域圖13 花鍵軸B區(qū)域的微觀組織

圖14為花鍵軸齒頂部位的微觀組織。將圖14a與圖14b所示的花鍵軸截面尖角處進(jìn)行對比可知,振動(dòng)擠壓成形花鍵軸齒頂部位的外圍晶粒受到了較大的壓縮,尖角處有明顯的材料流動(dòng)特征,而直接擠壓成形花鍵軸齒頂部位的晶粒分布沒有明顯區(qū)別,材料流動(dòng)較少,這說明直接擠壓成形時(shí)材料更多地向其他部位流動(dòng),不利于花鍵軸的成形。

(a)直接擠壓成形花鍵軸的C區(qū)域

(b)振動(dòng)擠壓成形花鍵軸的C區(qū)域圖14 花鍵軸C區(qū)域的微觀組織

測量花鍵軸齒頂(圖11中的點(diǎn)1～4)與齒底(圖11中的點(diǎn)5～8)的硬度值。對擠壓成形花鍵軸和拉伸試樣斷口的相應(yīng)位置進(jìn)行測量,取各齒相同位置的平均值,得到的數(shù)據(jù)如圖15所示。從圖中可以看出:擠壓成形后花鍵軸齒底的硬度均高于齒頂?shù)挠捕?這是由于齒底部位的變形量大于齒頂部位,因而加工硬化程度高;振動(dòng)擠壓成形后花鍵軸齒底的硬度低于直接擠壓花鍵軸齒底的硬度,說明經(jīng)過振動(dòng)擠壓后的工件材料由于在成形過程中不斷進(jìn)行應(yīng)力釋放,花鍵軸各部位變形均勻,所以加工硬化不顯著,而且振動(dòng)擠壓成形花鍵軸齒頂與齒底的硬度相差較小,說明材料向3個(gè)方向的流動(dòng)更加均勻。

圖15 直接擠壓與振動(dòng)擠壓成形花鍵軸 不同位置的硬度對比

4 結(jié) 論

花鍵軸振動(dòng)擠壓成形工藝相比于傳統(tǒng)的直接擠壓成形工藝具有諸多優(yōu)勢。本文通過花鍵軸振動(dòng)擠壓成形試驗(yàn)對振動(dòng)擠壓工藝進(jìn)行了分析,獲得的結(jié)論如下。

(1)振動(dòng)擠壓成形相比于直接擠壓成形的載荷可降低近25%,具有加工效率高、成形精度高、表面質(zhì)量好等諸多優(yōu)點(diǎn),且材料堆積現(xiàn)象不明顯。

(2)振動(dòng)擠壓降低成形載荷的原因與成形過程中的潤滑油膜變化有關(guān),在模具回程時(shí),潤滑油得以流入模具與坯料的接觸面,重新生成油膜,從而減小了摩擦力?；爻填l率越高,成形載荷也越高。

(3)通過觀察成形后花鍵軸的微觀組織可知,振動(dòng)擠壓成形促進(jìn)了材料流動(dòng),降低了材料變形量,有明顯的材料流動(dòng)特征。材料的均勻流動(dòng)可使成形花鍵軸的硬度降低。與直接擠壓成形相比,振動(dòng)擠壓成形花鍵軸齒型部位的硬度下降了近10%。

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(編輯 葛趙青)

收稿日期:2015-03-11。

作者簡介:茍軍利(1977—),男,副教授?；痦?xiàng)目:國家“863計(jì)劃”資助項(xiàng)目(2012AA050905)。

Experimental Research on Oscillating Extrusion of Splined Shaft

ZHANG Qi1,BEN Ningyu1,WANG Jucun2,YANG Kai1,CHEN Chao1

(1. School of Mechanical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2. AVIC South Aviation Industry Limited Corporation, Zhuzhou, Hunan 412002, China)

In response to the problem that the conventional splined shaft extrusion method is short of efficiency and the forming force is large, this study adopted a new forming process, i.e., oscillating cold extrusion. The forming experiments of splined shaft were performed and the microstructure and hardness were examined. An extrusion die whose module of gear is 1.75 and the number of teeth is 10 was used to form the workpiece. The workpiece is an AISI 1045A bar stock with a diameter of 17.9 mm. Each time when the die moves ahead 1 mm, it would moves back 0.5 mm. Different oscillating frequencies at 10, 15, and 20 Hz were compared. The results showed that the forming force of oscillating extrusion decreased by nearly 25% compared with conventional extrusion. The cause of friction reduction is that the lubricant film is rebuilt between the workpiece and the die during the back stroke. Comparison of the splined shafts made by oscillating extrusion and conventional extrusion shows that oscillating extrusion provides a better surface quality of the splined shaft and the material piling is reduced. The material flow in oscillating extrusion is better than that in conventional extrusion. So the change of the diameter of the addendum circle is little and the forming accuracy is high in oscillating extrusion. Hardness test showed that oscillating extrusion can decrease the hardness of splined shaft by 10%, which facilitates the formation of the spline.

splined shaft; oscillating extrusion; material flow

2015-04-20。

張琦(1978—),男,教授;賁寧宇(通信作者),男,碩士生。

國家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2014ZX04001021);陜西省工業(yè)攻關(guān)資助項(xiàng)目(2014K08-34)。

時(shí)間:2015-08-26

10.7652/xjtuxb201511018

TG142;TG376.3

A

0253-987X(2015)11-0110-06

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150826.1117.006.html