球面零件冷擠壓脫模機構(gòu)研究與模芯失效分析

周燕妮， 束昊

（1.中國礦業(yè)大學徐海學院，江蘇 徐州 221008；2.徐州重型機械有限公司，江蘇 徐州 221004）

0 引言

球面滑履是應(yīng)用在航空液壓泵上的一種零件，其結(jié)構(gòu)具有薄壁球面結(jié)構(gòu)特征，而且零件尺寸精度要求高，目前采用精密冷擠成形工藝，在軸向頂出脫模時零件成形表面受力不均勻，容易導(dǎo)致零件的局部變形，難以保證零件的尺寸精度，從而造成廢品率升高，增加企業(yè)的生產(chǎn)成本。本文介紹一種冷擠旋轉(zhuǎn)脫模方式，可以實現(xiàn)精密成形后球面滑履順利脫模，保證了成形件尺寸精度。

1滑履零件的工藝分析

滑履零件材料為錳黃銅，球面內(nèi)徑為φ17.5 mm，表面粗糙度為Ra1.25 μm，對擠壓成形精度的要求很高，由于該零件具有薄壁球面結(jié)構(gòu)，而且擠壓變形量大，因此擠壓球面回彈大，使擠壓件凹球面對模芯產(chǎn)生很大回彈正壓力如圖1所示，導(dǎo)致脫模時模芯與擠壓件球面接觸面摩擦阻力很大[1]，當采用頂套進行軸向脫模，頂出力很大，可能會使滑履與頂套接觸薄壁端口發(fā)生嚴重變形，因此需要考慮采用新的脫模方法。

圖1 滑履軸向脫模

2 旋轉(zhuǎn)脫模原理

按照現(xiàn)代摩擦理論，模芯與成形件的球形接觸面摩擦力主要包括機械咬合力、分子黏合力和接觸面某些點發(fā)生焊合所產(chǎn)生的阻力[2]。利用模芯和擠壓件相對旋轉(zhuǎn)，可以明顯減小這3種摩擦阻力，再用頂桿或壓板實現(xiàn)軸向脫模使模芯和擠壓件分離時，脫模阻力會大大減小，脫模會變得容易。模芯旋轉(zhuǎn)主要通過模芯的外螺紋和模芯旋套的內(nèi)螺紋配合的螺旋傳動實現(xiàn)，如圖2所示，頂桿2推動模芯旋套1向上運動，模芯旋套1通過螺旋副4將其向上的直線運動轉(zhuǎn)換為模芯6的旋轉(zhuǎn)運動，要使模芯和擠壓件相對旋轉(zhuǎn)，只需螺紋升角γ足夠大，使推動旋轉(zhuǎn)的圓周力Fτ大于模芯與成形件的壁面摩擦力ΣFf，因為下凹模與成形件外部接觸面積大于模芯與成形件內(nèi)部接觸面積，所以下凹模與成形件的摩擦力ΣFf1大于模芯與成形件的摩擦力ΣFf，這樣模芯旋轉(zhuǎn)不會帶動擠壓件一起轉(zhuǎn)，通過模芯6的旋轉(zhuǎn)減小成形零件9的成形面與模芯6之間的3種摩擦阻力，隨著頂桿2不斷向上推動模芯旋套1，模芯旋套1與模芯6的底端接觸后，將頂桿2的推力直接傳遞給模芯6，從而將成形零件9頂出凹模5，實現(xiàn)脫模。

3 旋轉(zhuǎn)脫模螺紋升角設(shè)計

3.1 球面回彈正壓力計算

球面回彈正壓力是計算滑履球面與模芯球面相對旋轉(zhuǎn)摩擦力重要參數(shù)，首先用三坐標測量儀對成形后的零件和模芯進行測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)分別擬合出零件直徑r1和模芯直徑r2與直徑和水平線夾角φ極坐標方程，從而得出回彈變形方程為

根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系得出回彈正應(yīng)力σ=EN（φ）/r2，

式中，E為錳黃銅的彈性模量，110 GPa[3]。

由于σ隨φ隨增大而增大，球面積分時選擇一個與N（φ）變化相適合的微元體如圖3所示[4]。

圖3 積分模型

取微元體ds=2πrcos φ·

3.2 螺紋升角理論計算

式中：γ為螺紋升角；ρ為摩擦角；頂桿的頂出力Q為37.8 kN。

把已知參數(shù)代入受力公式得35.28tan(γ+ρ)=22.77，得出γ+ρ=32.8°。其中：ρ=arctan 0.1=5.7°；γ=27.1°。要使螺紋傳動不能自鎖，要求γ>ρ，已滿足條件[6]。

3.3 最佳螺旋升角確定

考慮模具實際結(jié)構(gòu)，實際只需要把滑履半球與模芯相對旋轉(zhuǎn)5°，就可明顯減小滑履半球與模芯摩擦力，假設(shè)螺紋升角為λ，同時考慮螺旋傳動受力均勻，采用四頭螺紋傳動，根據(jù)螺旋傳動運動公式：

式中：n為頭數(shù)；P為螺距；s為導(dǎo)程；x為行程，d=17.5 mm。

4 旋轉(zhuǎn)脫模結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖4所示，頂桿推動推板向上運動，推板推動頂桿A向上運動，頂桿A推動模芯旋套向上運動，模芯旋套由于模芯旋套限位板限位，只能直線運動，不能旋轉(zhuǎn)，由于大升角螺旋配合，螺旋模芯旋套通過螺旋副將其向上的直線運動轉(zhuǎn)換為模芯的旋轉(zhuǎn)運動，通過模芯與成形零件的相對旋轉(zhuǎn)消除成形零件的成形面與模芯之間的黏合力，隨著頂桿A向上推動模芯旋套走5 mm行程，模芯旋套上的頂桿B推動頂套向上走5 mm行程，此時頂套開始與成形件接觸，由于滑履半球與模芯仍有殘余摩擦力，當頂套推動成形件向上運動殘余摩擦力會帶動模芯一起運動，此時模芯由旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化軸向運動，模芯隨頂套一起將滑履成形件頂出，當滑履向上運動13 mm時，模芯由于模芯限位板13作用停止運動，頂桿B繼續(xù)向上運動，頂桿B推動頂套使滑履成形件與模芯脫離，從而完成整個脫模過程。

圖4 旋轉(zhuǎn)脫模機構(gòu)

5 驗證實驗

工藝試驗時應(yīng)小心地將模具裝配好，以保證冷擠件的尺寸精度。由實驗得知：該脫模方法合理，可大大降低脫模阻力，能夠很好地保證擠壓件的尺寸精度，并有效保護模具。但是由于設(shè)計局限性和脫模機構(gòu)采用大升角螺紋傳動，所以在試制過程中還存在一些問題：1）螺紋牙磨損較嚴重，這是由于螺紋傳動力較大，采用較好材料的W6Mo5V2代替原有的模具鋼40Cr，并加入油潤滑，使螺紋牙磨損較嚴重得到較好改善；2）在頂出時，模芯在與模芯限位板配合處易發(fā)生折斷。下面對模型斷裂進行詳細分析。

圖5 模芯斷裂圖

6 模芯發(fā)生斷裂分析

根據(jù)滑履冷擠壓實驗獲得，軸向頂出脫模時，頂出力F為82.40 kN，如圖6所示可得。

圖6 模芯受力分析及結(jié)構(gòu)圖

模芯的最大危險截面在模芯臺階圓角過渡處，而該截面內(nèi)的應(yīng)力集中系數(shù)ασ根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)D、d、R從1.5變化至2.5[7]。根據(jù)圖6所示，由計算可得形狀因子：D/d=15÷12.05=1.245，曲率半徑：2R/d=0.083。經(jīng)分析查表123-2得模芯臺階圓角過渡處承受彎矩和拉應(yīng)力時的應(yīng)力集中系數(shù)分別為αM=2.10，αF=2.25[7]。雖然最大拉（彎曲）應(yīng)力σA與拉（彎曲）應(yīng)力σ之比也受泊松比的影響，但因其影響較小，所以可以忽略不計。

由α=σA/σ得，最大彎應(yīng)力：σA1=αMσM=2.10×1997.7=4195.17 MPa; 最大拉應(yīng)力:σA2=αFσF=2.25×342.7=771.1 MPa，根據(jù)疊加原理模芯所受最大應(yīng)力σMAX=σA1+σA2=4996.24 MPa，而模芯（W6Mo5Cr4V2鋼）的抗彎強度σM為4000 MPa，因此模芯發(fā)生斷裂。

通過以上分析得知，模芯是由于結(jié)構(gòu)原因產(chǎn)生的偏心載荷和應(yīng)力集中共同作用而發(fā)生斷裂，因此對模芯結(jié)構(gòu)進行了重新設(shè)計，將其臺階過渡改為了錐面過渡，圖7所示。將模芯設(shè)計成錐面的優(yōu)點有：1）錐部應(yīng)力狀態(tài)為三向壓應(yīng)力，壓應(yīng)力阻止晶間變形，隨著三向壓應(yīng)力增大，晶間變形更困難，從而提高金屬塑性，而且三向壓應(yīng)力能抑制變形體微觀缺陷，抵消由于變形不均勻引起的附加拉應(yīng)力而防止裂紋產(chǎn)生，大大提高模芯的承載能力[8]。2）錐面配合使工作部位能簡捷而可靠地固定在模架上，也利于中心定位，降低發(fā)生彎曲應(yīng)力的可能性。

圖7 模芯改進結(jié)構(gòu)圖及應(yīng)力狀態(tài)

采用改進后模型，最終將薄壁球面結(jié)構(gòu)的滑履零件一次擠壓成形，如圖8所示，尺寸和精度達到圖樣設(shè)計要求，而且該脫模機構(gòu)降低脫模阻力，能有效地保護模具。實踐證明，該脫模機構(gòu)宜于組織批量生產(chǎn)，經(jīng)濟實用。

圖8 最終成形后滑履

6 結(jié)語

本文針對球面滑履精密冷擠成形頂出脫模時，球面滑履端口可能會發(fā)生嚴重變形問題進行分析，因為該零件一次成形，成形球面變形量大，因此發(fā)生球面嚴重回彈，對模芯球面產(chǎn)生很大正壓力，導(dǎo)致軸向頂出脫模阻力大。同時由于頂出受力不均勻，從而使滑履端口發(fā)生變形，根據(jù)分析考慮采用旋轉(zhuǎn)頂出方式來消除模芯和滑履球面摩擦力進行脫模。本文對旋轉(zhuǎn)頂出的脫模方法原理進行分析，并計算重要參數(shù)螺旋升角，設(shè)計出合理旋轉(zhuǎn)頂出脫模機構(gòu)，最后通過工藝實驗來證明旋轉(zhuǎn)頂出的脫模方式具有脫模阻力小、成形精度高等優(yōu)點，大大降低了廢品率，降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本，能有效保護模具，具有較高的實用價值。