軸瓦零件的精密整形工藝設(shè)計與應(yīng)用

李　威，鄭偉剛，劉高劍，楊　寧

(貴州大學(xué) 機械工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

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軸瓦零件的精密整形工藝設(shè)計與應(yīng)用

李威，鄭偉剛*，劉高劍，楊寧

(貴州大學(xué) 機械工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

采用車削加工生產(chǎn)的軸瓦零件，其表面粗糙度較高、耐磨性較低、易發(fā)生膠合失效、零件壽命較短。改用冷擠壓精密整形工藝可以降低軸瓦表面粗糙度，提高軸瓦的成形質(zhì)量。本文通過Q-Form-3D模擬分析和試驗相結(jié)合，對軸瓦精密整形進行了工藝分析和設(shè)計，得出了工藝參數(shù)，并依據(jù)分析結(jié)果設(shè)計了合理的模具，為軸瓦的生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。

軸瓦；冷擠壓；精密整形；Q-Form-3D

航空泵軸瓦是航空中的重要零件，其尺寸精度和圓度要求較高，表面粗糙度較低。其傳統(tǒng)的加工工藝是車削加工，但軸瓦表面粗糙度較高、耐磨性較低，易發(fā)生膠合失效，零件使用壽命較短。鑒于此，有人通過電鍍工藝進行鍍層[1]，解決了上述不足。但是電鍍工藝成本較高且污染較嚴重，不能滿足企業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)的需求。因此本文提出軸瓦滾碾成形，精密冷擠壓整形工藝，該工藝的運用及推廣可以解決企業(yè)的實際難題，提高產(chǎn)品的合格率以及企業(yè)的生產(chǎn)效率，帶來經(jīng)濟效益。

1　成形工藝分析

軸瓦零件的材料選用QAl10-4-4鋁青銅[2]，高溫(400 ℃)下力學(xué)性能穩(wěn)定，有良好的減磨性和可加工性。其力學(xué)性能：抗拉強度σb≥690 MPa，伸長率δ10(%)≥5，硬度：170～240 HB。軸瓦零件如圖1所示。

圖1　軸瓦零件圖

由軸瓦的外形特點可知，軸瓦壁厚t=2.5 mm，屬于薄壁零件，在加工過程中極易出現(xiàn)變形現(xiàn)象。軸瓦的公差等級達到了6級精度，表面精度要求較高。內(nèi)外徑表面粗糙度為0.4 μm，表面要求光滑平整，且要求軸瓦壁厚均勻分布。因此軸瓦成形有以下特點：

(1)根據(jù)零件尺寸可知，成形零件的精度較高，因此對精整模具的精度要求較高；

(2)由于采用精密擠壓[3]，為防止金屬擠壓中出現(xiàn)失穩(wěn)，金屬的變形量不宜太大，所以，毛坯的內(nèi)外徑尺寸要接近成品零件的內(nèi)外徑尺寸，精整前應(yīng)對初始毛坯預(yù)成形，使之成為精化毛坯；

(3)由于成形零件是薄壁結(jié)構(gòu)，凹凸模間的間隙較小，金屬變形通道較窄，在成形過程中，隨著型腔深度的增加，金屬塑性流動阻力會越來越大[4]。

2　工藝設(shè)計

2.1工藝方案設(shè)計

我們選用管狀毛坯，通過精密數(shù)控輾環(huán)機滾碾成形，再采用精密冷擠壓，精擠軸瓦。該方案不僅降低了軸瓦的表面粗糙度，提高了成形質(zhì)量；還改善了軸瓦的力學(xué)性能，提高了軸瓦的使用壽命。軸瓦成形的工藝流程圖如圖2所示。

圖2　軸瓦成形工藝流程圖

2.2工藝參數(shù)計算

2.2.1精化毛坯尺寸的確定

精密模鍛就是在不影響零件加工品質(zhì)的前提下生產(chǎn)小余量的精化毛坯[5]，精擠時，精化毛坯內(nèi)外圓直徑單邊均留0.5 mm的加工余量。因此精化毛坯外徑D1：Φ81 mm，內(nèi)徑d1：Φ74 mm，壁厚t1=3.5 mm。由精化毛坯體積等于擠壓件體積的計算原則[6]，得出精化毛坯的寬度B1：

(1)

其中：零件外徑D=80 mm，零件內(nèi)徑d=75 mm，零件寬度B=21 mm。

計算得：B1=15 mm。

最終精化毛坯尺寸：D1=81 mm，d1=74 mm，t1=3.5 mm，B1=15 mm。

2.2.2管狀毛坯尺寸的確定

管狀毛坯在輾環(huán)機的輾擴下成形為精化毛坯，在輾擴中毛坯材料的塑性變形量要小于材料的極限變形量，以防碾壓過程中出現(xiàn)軸瓦破裂或擠扁現(xiàn)象，因此需要得出毛坯極限變形量。本文通過試驗的方法，得出毛坯材料的極限變形量。試驗數(shù)據(jù)見表1。從輾后(毛坯1組和2組中各取最好結(jié)果測試，其余均破裂或擠扁，結(jié)果見表2。

表1　軸瓦輾擴試驗一鍛件和毛坯尺寸　mm

表2　軸瓦輾擴試驗一測試結(jié)果　mm

從表1、2試驗數(shù)據(jù)可看出：兩組毛坯極限變形量在20%～22%之間。

為驗證上述結(jié)論的準確性，修改設(shè)計了另外兩組毛坯見表3。同樣取最好結(jié)果測試，結(jié)果見表4。

表3　軸瓦輾擴試驗二鍛件和毛坯尺寸　mm

表4　軸瓦輾擴試驗二測試結(jié)果　mm

從表3、4試驗數(shù)據(jù)可看出：兩組毛坯極限變形量在20%～21%之間，與上組接近。

根據(jù)四組毛坯輾擴結(jié)果，以及試驗中出現(xiàn)的各種現(xiàn)象，總結(jié)分析得出如下結(jié)論：

(1)此種材料毛坯極限變形量在20%～22%之間，接近或超過這個變形量范圍，毛坯輾擴后會出現(xiàn)表面裂紋，甚至斷裂。變形量應(yīng)取在15%～18%之間較合適。

(2)在20%～22%變形量下，毛坯輾擴后軸向?qū)捳乖?.4～0.5 mm之間。為了保證輾擴后軸瓦外徑尺寸達到要求，設(shè)計毛坯時應(yīng)考慮寬展，毛坯寬度取比鍛件寬度小0.4 mm。

綜上，取理論變形量為15%，結(jié)合精化毛坯的尺寸，可得出管狀毛坯尺寸：外徑=71.76 mm，內(nèi)徑=63.54 mm，壁厚=4.11 mm，寬度=14.6 mm。

3　成形過程的模擬分析

3.1模擬前處理

采用Q-Form-3D對成形工藝方案進行模擬分析。根據(jù)零件的對稱結(jié)構(gòu)以及盡量減少模擬運算量的設(shè)計原則，用UG建立1/12的坯料和模具模型并保存為step格式導(dǎo)入Q-Form-3D進行模擬。輸入的其它模擬參數(shù)為：工件材料，QAl10-4-4；液壓機，50 MN；摩擦條件，常磨擦；工件溫度，20 ℃；模具初始溫度，20 ℃；潤滑劑，MoS2；壓機速度，0.05 m·s-1。

3.2模擬分析

3.2.1平均應(yīng)力分析

對模擬成形軸瓦平均應(yīng)力進行分析。由圖3可知，成形薄壁部分應(yīng)力較小且應(yīng)力分布均勻。擠壓過程中最大平均應(yīng)力達到2483 MPa，主要集中在模具的入?？谔帯Ｒ虼?，為保證擠壓過程的順利進行，模具材料應(yīng)具有很高的強度、良好的耐磨性，模具材料為Cr12MoV工具鋼，最大接觸壓力2483 MPa是模具能承受的壓力。

圖3　成形軸瓦平均應(yīng)力

3.2.2應(yīng)變場分析

由圖4(a)可知，最大應(yīng)變和應(yīng)變變化較大處主要集中在模具入口處，此處回彈變形較大。薄壁軸瓦部分應(yīng)變較小且分布均勻，回彈變形不會影響軸瓦的尺寸精度。由(b)、(c)可知，金屬沿縱向(Z軸)和徑向流速較小且基本恒定；沿縱向和橫向金屬的流動較均勻，說明金屬在模具中流動順暢。

(a)應(yīng)變分布圖

(b)縱向

(c)徑向流速圖4　精擠時，金屬要升級流動規(guī)律

3.2.3載荷-行程曲線

材料擠壓成形過程的載荷-行程曲線如圖5所示。由圖可知，擠壓早期階段的壓力比較小，壓力變化比較平穩(wěn)。薄壁軸瓦成形后期壓力逐漸增大，此時，對模具和設(shè)備的強度和剛度要求越來越高，最大成形壓力為0.75 MN，因此模具的強度設(shè)計、材料選定和設(shè)備的選用要以此為依據(jù)。

圖5　載荷-行程曲線

4　模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

在精整工藝及模擬分析基礎(chǔ)上，根據(jù)擠壓模具設(shè)計規(guī)范，獲得環(huán)件模具[7]裝配圖如圖6所示。

圖6　環(huán)件模具裝配圖

精擠成形時，精化毛坯放入組合凹模a、b中[8]，凸模下移15 mm，精擠成形完成。凸?；爻蹋?頂桿上移，凹模座a上移，此時擠壓件不動，擠壓件與凹模a逐漸分離，當(dāng)頂套隨凹模座a上移到頂套與擠壓件接觸時，擠壓件開始被頂套頂出，擠壓件與凹模b逐漸分離，最終頂出擠壓件[9]。

5　結(jié)論

根據(jù)精擠工藝方案，采用50 MN精密萬能液壓機，下行速度為0.05 m·s-1進行生產(chǎn)，所得軸瓦零件經(jīng)檢測尺寸精度可達0.04 mm，表面粗糙度0.4 μm，精整軸瓦零件如圖7所示。

圖7　工藝試驗得到的精密軸瓦

(1)采用軸瓦滾碾成形，精密冷擠壓整形工藝得到的產(chǎn)品可達到表面粗糙度0.4 μm，尺寸精度0.04 mm。該工藝所得產(chǎn)品完全滿足尺寸精度、粗糙度精度要求。

(2)采用上述工藝得到的軸瓦，一方面軸瓦內(nèi)部質(zhì)量較好，其耐磨性和疲勞壽命明顯提高；另一方面冷擠壓精整軸瓦，其表面粗糙度較低，軸瓦表面成形質(zhì)量較好。

[1] 姜曉華，陳伯賢.軸瓦鍍層電鍍技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].機電工程技術(shù)，2002，31(3)：27-28.

[2] 徐建林，王智平.鋁青銅合金的研究與應(yīng)用進展[J].有色金屬，2004，56(4)：52-55.

[3] 吳詩惇.擠壓理論[M].北京：國防工業(yè)出版社，1994.

[4] 俞漢清，陳金德.金屬塑性成形原理 [M].北京：機械工業(yè)出版社，1999.

[5] 胡亞民，華林.鍛造工藝過程及模具設(shè)計 [M].北京：北京大學(xué)出版社，2006.

[6] 華林，黃興高，朱春東.環(huán)件軋制理論和技術(shù) [M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.

[7] 楊長順．冷擠壓模具設(shè)計 [M]．北京：國防工業(yè)出版社,1994．

[8] 王學(xué)文，劉漢貴．?dāng)D壓組合凹模的設(shè)計[M]．北京：國防工業(yè)出版社，1988.

[9] 鄭偉剛，束昊，袁玉紅，等．新型精密冷擠壓成形脫模裝置設(shè)計與應(yīng)用[J]．模具工業(yè)，2009，35(4)：63-66．

(責(zé)任編輯：周曉南)

Precision Plastic Process Planning and Research of Bearing Parts

LI Wei，ZHENG Weigang*，LIU Gaojian，YANG Ning

(College of Mechanical Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025, China)

By turning processing production of bearing parts，the surface has high roughness, low wear resistance, is liable to agglutination failure, resulting in short life parts. The use of cold extrusion for precision plastic technology can reduce the surface roughness of bearing, and improve the quality of the bearing shell forming. Through Q-Form-3D simulation and experiment, the combination of process analysis and design of bearing precision plastic, the process parameters were obtained, and according to the results of analysis, the reasonable mold was designed, for the bearing shell. It provides a theoretical basis for its production.

bearing bush；cold extrusion；precision plastic；Q-Form-3D

A

1000-5269(2016)03-0060-04

10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2016.03.15

2016-01-07

貴州省科學(xué)技術(shù)廳、貴州大學(xué)聯(lián)合資金項目資助(黔科合LH字[2014]7622號)

李威(1991-)，男，在讀碩士，研究方向：精密材料成形技術(shù)，Email：weilee1314@163.com.

鄭偉剛，Email：weigangzheng@163.com.

TG316.191