冷擠壓工藝在汽車油冷器底座設(shè)計上的應(yīng)用

潘 勇

(貴州貴航股份公司永紅散熱器公司，貴州貴陽550009)

0 引言

冷擠壓是一種無切屑加工沖壓工藝。它是在相當(dāng)大的壓力(2000～2500 MPa)下，使金屬毛料在模具型腔中塑性成形，并從模具型腔中擠出制件的一種塑性成形方法。[1]

在某型油冷器的研發(fā)中，遇到了釬焊后裝配面上有釬料外溢后形成焊瘤影響產(chǎn)品裝配性的問題，需要進行機械加工去除焊瘤，效率極低。工藝上難以解決釬料外溢，于是考慮從設(shè)計結(jié)構(gòu)上進行更改，應(yīng)用冷擠壓工藝，取消一個機加件，改為沖壓件一體化設(shè)計，從而徹底解決釬料外溢問題。

1 改進前后結(jié)構(gòu)對比

某型油冷器有一個底座與定位凸臺配合的組件結(jié)構(gòu)。底座材料為4104/3003，內(nèi)側(cè)為釬料包覆層。定位凸臺材料為6060。零件裝配后要進行爐中釬焊。底座外側(cè)為裝配面，不允許有焊瘤。在研發(fā)初期，熔化后的釬料順著φ21孔壁流到底座外側(cè)，形成焊瘤。如圖1。

圖1 底座組件結(jié)構(gòu)圖(改進前)

改進方案：在不改變產(chǎn)品的功能和安裝尺寸的條件下取消了定位凸臺這個機加零件，采用先冷擠壓φ23沉孔再沖φ14孔的工藝形成新的底座。如圖2所示。

圖2 底座組件結(jié)構(gòu)圖(改進后)

2 改進方案的可行性分析

2.1 斷面縮減率

在冷擠壓過程中，變形程度是決定使用設(shè)備壓力大小及影響模具壽命的主要因素之一。若要提高生產(chǎn)效率，就必須增大每次擠壓的變形程度，以減少擠壓次數(shù)。單次變形程度越大，其變形抗力也越大，就會降低模具的壽命，甚至引起凸模折斷或凹模開裂。因此對各種擠壓材料，都應(yīng)選擇合適的變形程度。[3]

制定擠壓工序時應(yīng)對變形程度進行校核，確定其是否已超過許可變形程度。對鋁合金來說，雖然其最大斷面縮減率可達98%，但一般第一道工序的斷面縮減率不宜超過90%，否則擠壓力顯著增加。[1]

斷面縮減率為：

ψ=(F0-F1)/F0×100%

=(232-212)/232×100%=16.7%

(1)

式中：F0為毛料的橫斷面積(mm2)；F1為制件的橫斷面積，正擠為小端橫斷面，反擠為空心制件壁部橫斷面(mm2)。

因材料的流動方向和凸模的運動方向相同，故該零件屬于正擠壓。表1可知，斷面縮減率16.7%小于鋁合金正擠壓的最大斷面縮減率ψmax，且小于90%，滿足一次加工條件。

表1 各種材料的最大斷面收縮率ψmax[2]

2.2 冷擠壓力

確定擠壓力是決定具體零件冷擠壓各道工序的單位擠壓力，考核單位擠壓力是否超過了目前模具鋼所能承受的極限載荷(2500 MPa)。如超過時則應(yīng)采取具體措施(選用較軟的代用材料進行擠壓，或改變模具形狀使金屬流動容易從而降低單位擠壓力，或增加變形工藝次數(shù)，使每道工序的變形程度減小，從而使單位擠壓力降低等等)以保證冷擠壓工序的順利進行。

P0=CZnσb[2]=1.3×1.2×3×220=1029.6 MPa<2500 MPa

(2)

決定冷擠壓工藝所需的設(shè)備噸位：

P=P0F=1029.6×415.2=427489.92 N≈427 kN

(3)

式中：P為總擠壓力(N)；P0為平均單位擠壓力(MPa)；Z為模具的形狀系數(shù)，依據(jù)圖3取值為1.2；n為擠壓方式及變形程度的修正系數(shù)，依據(jù)表2取值3；σb為擠壓材料的抗拉強度(MPa)，該材料最大σb=220 MPa；F為凸模與材料直接接觸表面在水平面上的投影面積(mm2)，該零件F=π×232/4=415.2 mm2；c為安全系數(shù)，考慮到材質(zhì)的波動，表面潤滑處理的波動等意外因素的影響，一般取C≥1.3。

圖3 模具的形狀系數(shù)[2]

表2 擠壓方式及變形程度的修正系數(shù)[2]

通過以上分析，底座的改進結(jié)構(gòu)可使用630 kN(大于1.2倍擠壓力)沖床一次成形出φ23凸臺。

3 改進效果

由于取消了φ21孔，釬料不可能再溢流到底座外側(cè)，從而徹底解決了裝配面上有焊瘤的質(zhì)量問題。

同時，降成本效果明顯。取消了一個機加件定位凸臺；將機加φ25臺階沉孔改為冷擠壓φ23沉孔，降低了底座零件的生產(chǎn)成本；焊后底座外側(cè)裝配性及外觀良好，不需機加去除焊瘤。

4 結(jié)論

利用冷擠壓可成形復(fù)雜形狀的特點，可在產(chǎn)品設(shè)計時，用冷擠壓代替機械加工和需多次拉深的復(fù)雜零件，從而降低大批量產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。

在應(yīng)用冷擠壓工藝時，需要對材料的變形程度及擠壓力進行校核，以確保斷面縮減率在許可變形范圍之內(nèi)，單位擠壓力在模具鋼的極限載荷范圍內(nèi)，依據(jù)擠壓力選擇合適的設(shè)備完成加工。