正擠壓冷擠空心件心軸斷裂與靜液擠壓的研究

左陽(yáng)春， 王鋆輝

（武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢430205）

1 管狀件各種擠壓方法的利弊

無(wú)論是民用工業(yè)還是國(guó)防工業(yè)，常常會(huì)用到一些空心的管狀部件。這些管狀件可以存放和通過(guò)一定壓力的流體，也可引導(dǎo)金屬?gòu)椡璋搭A(yù)定路線飛行。各種類型的擠壓方法在管狀件生產(chǎn)中均有應(yīng)用，它們各有利弊。擠壓法生產(chǎn)管狀件受到人們的特別關(guān)注。

1.1 熱態(tài)正、反擠壓

正反擠壓生產(chǎn)管狀件的原理如圖1 和圖2 所示。若在熱加工溫度狀態(tài)實(shí)施擠壓以獲取空心件，則此種擠壓方式稱為熱擠壓。與冷擠壓相比，熱擠壓的變形抗力只有冷擠壓的1/20，且塑性為冷變形的幾十倍，這樣就可進(jìn)行大變形量的加工，制造尺寸較大、形狀復(fù)雜的部件。但是熱擠壓件尺寸精度差，零件表面有氧化皮，外層金屬會(huì)發(fā)生脫碳，這樣就造成產(chǎn)品尺寸過(guò)大、材料利用率不高、表層力學(xué)性能不足、需配置加熱設(shè)備、工人勞動(dòng)條件不好等問(wèn)題。其中的材料利用率問(wèn)題，在生產(chǎn)貴重金屬零件時(shí)，顯得更為突出。

圖1 正擠壓無(wú)縫鋼管原理圖

圖2 反擠壓空心件原理圖

正、反擠壓的區(qū)別僅在于金屬的流動(dòng)方向是否與凸模的運(yùn)行方向一致。反擠壓會(huì)使所需變形抗力更大，它可以提高材料的塑性，但對(duì)模具材料的力學(xué)性能和壓力加工設(shè)備的噸位要求更高，而正擠壓則相反。反擠壓小內(nèi)徑空心件時(shí)存在凸模易失穩(wěn)問(wèn)題，不宜于擠壓高徑比過(guò)大的空心件，而正擠壓不存在此問(wèn)題。

1.2 冷態(tài)擠壓

冷擠壓是一種塑性加工工藝。與熱擠壓相比較，冷擠壓的優(yōu)點(diǎn)在于：（1）節(jié)約原材料；因?yàn)槔鋽D壓是在不破壞金屬的前提下使金屬體積作出塑性轉(zhuǎn)移，從而達(dá)到少、無(wú)切削而使金屬成形。這樣就避免了切削加工時(shí)形成大量金屬?gòu)U屑，大大節(jié)約鋼鐵和各種金屬原材料。（2）冷擠壓在壓力機(jī)上進(jìn)行，操作方便，容易掌握，精度高。既可以使零件的生產(chǎn)時(shí)間大為縮短，又可以節(jié)省很多切削加工工時(shí)，從而大幅度提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。（3）可加工形狀復(fù)雜的零件。（4）冷擠壓件的強(qiáng)度大、剛性高且重量輕。冷擠壓利用了金屬材料冷變形的冷作硬化特性，制件的強(qiáng)度大為提高，可用低強(qiáng)度鋼材代替高強(qiáng)度鋼材。此外，切削加工使零件的金屬纖維流向被切斷，這對(duì)零件的強(qiáng)度產(chǎn)生了不利的影響；在冷擠壓的變形過(guò)程中，金屬的纖維仍然保持著連續(xù)流暢的狀態(tài)。若施壓方向與毛坯的纖維方向垂直，則纖維只有彎曲而不會(huì)被切斷，這樣可減少材料的缺口敏感性，保證零件的強(qiáng)度。若施壓方向與毛坯的纖維相平行，則纖維受到強(qiáng)烈的鐓壓后，形成密實(shí)的結(jié)構(gòu)，這樣擠成的空心件底部可以達(dá)到十分緊密的程度，大幅提高空心件承受高壓流體的能力。（5）制件可獲得理想的表面粗糙度及尺寸精度；冷擠壓零件的表面質(zhì)量十分良好。在冷擠壓過(guò)程中，金屬表面在高壓下受到模具光滑表面的熨平，因此零件的表面光潔度很高，表面強(qiáng)度也大為提高。冷擠壓制件表面粗糙度至少可達(dá)Ra1.6～0.8 以下，如果工藝處理合適，可以得到超過(guò)精磨而僅次于拋光的表面粗糙度。冷擠壓零件的精度一般可達(dá)到3～4 級(jí)，有時(shí)公差范圍可控制在0.015mm 以內(nèi)。但是；冷擠壓時(shí)材料的變形抗力較大，這導(dǎo)致所需設(shè)備要大且對(duì)模具材料強(qiáng)度硬度要求較高。

綜上所述；在模具材料和壓力機(jī)噸位滿足變形要求的前提下，使用冷態(tài)的正擠壓方法生產(chǎn)空心件在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上是合理的。

2 冷態(tài)正擠壓存在的心軸強(qiáng)度問(wèn)題及原因

對(duì)空心件，特別是管狀小口徑空心件進(jìn)行冷態(tài)的正擠壓，在冷擠壓過(guò)程中，必須用一根細(xì)長(zhǎng)的心軸插在孔內(nèi)以保證孔的直徑。該心軸又細(xì)又長(zhǎng)。在正擠壓過(guò)程中如果不采取合理的措施，很容易發(fā)生斷裂。

為什么會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象呢？如圖3 所示，凸模心軸在冷擠壓過(guò)程中，受到空心毛坯的緊密包圍，金屬向下流動(dòng)時(shí)心軸受到向下流動(dòng)金屬的摩擦力作用也有向下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。但由于心軸上端肩部的限制而受到一個(gè)強(qiáng)大的拉力。如此一來(lái)，很容易分析出制件被擠出部分的心軸處于復(fù)雜的一向受拉、二向受壓的應(yīng)力狀態(tài)。心軸直徑越小，此拉應(yīng)力越嚴(yán)重。

這是一種對(duì)心軸材料極為不利的應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)材料力學(xué)中強(qiáng)度理論相關(guān)知識(shí)，在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，脆性材料的強(qiáng)度應(yīng)按第二強(qiáng)度理論校核，即σ1-μ（σ2＋σ3）≤［σ］。塑性材料按第三強(qiáng)度理論校核，即σ1－σ3≤［σ］。因?yàn)檫@里σ1為正，σ2和σ3均為負(fù)。由此可見(jiàn)，無(wú)論心軸是脆性還是塑性材料，在這種情況下均極容易破壞。

3 解決途徑

解決心軸的強(qiáng)度有兩種途徑，一是減小σ2和σ3，二是減小σ1。因?yàn)槭菙D壓成形，所以減小σ2和σ3是不可能凸模凹模

圖3 心軸受力情況

制件心軸的，于是只有減小σ1。σ1是由摩擦引起的，摩擦力為正壓力與摩擦系數(shù)之積。正壓力取決于σ2和σ3，這是無(wú)法降低的。最后就只有盡可能降低摩擦系數(shù)這一途徑。

3.1 活動(dòng)心軸

讓心軸在擠壓過(guò)程中隨坯料的被擠出部分一起向下運(yùn)動(dòng)，這樣就能不使心軸受到拉力，從而避免斷裂。應(yīng)該說(shuō)這是一個(gè)不錯(cuò)的辦法，從技術(shù)上說(shuō)來(lái)也可以實(shí)現(xiàn)。但是活動(dòng)心軸既要考慮在擠壓無(wú)底空心件時(shí)心軸不能因重力作用而向下漏出，還要考慮制件擠壓完成后心軸的拔出問(wèn)題，這使得凸模的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，操作也很不方便。

3.2 靜液擠壓

如圖4 結(jié)構(gòu)所示，凸模施壓于液體，壓力經(jīng)過(guò)液體傳給毛坯使其變形。毛坯的外側(cè)表面浸在液體之中，在坯料的外側(cè)表面就不存在摩擦阻力；坯料的內(nèi)側(cè)表面與凸模心軸間有適量間隙，液體可以進(jìn)入該間隙內(nèi)對(duì)接觸面實(shí)施有效的潤(rùn)滑，因而內(nèi)表面的摩擦阻力很小。如此就使得無(wú)效的擠壓力大為減少。另外，因高壓液體包圍了凹模，這等于對(duì)凹模施加了預(yù)應(yīng)力，這樣做能進(jìn)一步提高受擠壓材料的塑性變形能力，有利于高強(qiáng)度材料的冷擠壓。由于受擠壓材料處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，即便是脆性材料，塑性變形的能力也大為提高。

控制凸模心軸與受擠壓坯料內(nèi)孔間的間隙，液體可將坯料和心軸的接觸面隔開(kāi)。接觸面由原來(lái)的干摩擦狀態(tài)轉(zhuǎn)為液體摩擦狀態(tài)或半液體摩擦狀態(tài)，這都會(huì)使摩擦系數(shù)大為降低，從而保證了心軸在工作期間的強(qiáng)度。將毛坯鉆孔工序安排在退火工序之后，并對(duì)毛坯內(nèi)孔進(jìn)行磷化和皂化潤(rùn)滑處理，可進(jìn)一步降低接觸面的摩擦系數(shù)，能更有效地保證心軸的強(qiáng)度。

4 結(jié) 語(yǔ)

靜液擠壓不僅因?qū)ν鼓Ｐ妮S有效潤(rùn)滑而保證了心軸的強(qiáng)度，同時(shí)還因接觸面上摩擦力很小或消失而提高模具壽命、降低了壓力機(jī)的壓力消耗；提高了各種材料的塑性變形能力，使原來(lái)難以塑性變形的材料可以進(jìn)行塑性成形并大幅改善了材料的力學(xué)性能。

圖4 靜壓擠壓與心軸潤(rùn)滑示意圖

［1］ 賈俐俐.擠壓工藝及模具［M］北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［2］ 王富恥，張朝暉.靜液擠壓技術(shù)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008.