連接套加工工藝的研究

劉新平,王建立

（1.山東交通職業(yè)學(xué)院,山東 濰坊 261206; 2.山東科技職業(yè)學(xué)院,山東 濰坊 261053）

0 引言

軸套是機(jī)械產(chǎn)品中重要且常用的一種零件，如圖1所示是某產(chǎn)品重要連接套。選用材料2A12，年產(chǎn)量為6萬(wàn)件，屬于批量生產(chǎn)。

圖1 軸套

1 加工工藝分析

1.1 機(jī)械加工

該軸套屬于回轉(zhuǎn)類零件，若采用圓鋼做毛坯，車削加工成型的生產(chǎn)方式，由于鉆孔、車內(nèi)外圓等工序較多，降低了生產(chǎn)效率，提高了成本，而該零件批量較大，顯然不能滿足生產(chǎn)要求。

1.2 冷擠壓成型加工

采用冷擠壓成型工藝加工該零件。該方法具有生產(chǎn)效率高，零件的生產(chǎn)成本低，但是毛坯材料2A12的韌性、塑性性能較低，若常溫下采用冷擠壓成型加工，易導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生，出現(xiàn)廢品。

1.3 熱擠壓成型加工

熱擠壓成型加工不但具有生產(chǎn)效率高，零件的生產(chǎn)成本低，而且該材料在高溫時(shí)塑性較好，不容易產(chǎn)生裂紋，能滿足產(chǎn)品圖紙要求。

1.3.1 反擠壓成型

如圖2所示，反擠壓成型工序圖。

圖2 反擠壓成型工序圖

分析反擠壓工藝成型方法，該方法盡管可以一次熱擠壓成形該零件毛坯，但擠壓凸模的工作部分過(guò)長(zhǎng)，達(dá)到擠壓凸模直徑的5.45倍，對(duì)擠壓凸模的穩(wěn)定性不利，很容易產(chǎn)生彎曲而引起折斷，由于材料在高溫時(shí)塑性較好，擠壓力較小，選用合適的模具材料，能夠避免擠壓凸模產(chǎn)生彎曲而引起折斷。同時(shí)擠壓余塊通過(guò)沖孔去除掉，采用沖孔加工生產(chǎn)效率較高。

1.3.2 復(fù)合擠壓成型

如圖3所示，復(fù)合擠壓成型工序圖。

圖3 復(fù)合擠壓成型工序圖

復(fù)合擠壓成型可以一次熱擠壓成形該零件，改變擠壓凸模過(guò)長(zhǎng)的缺陷，提高擠壓凸模的使用壽命，且適合單動(dòng)壓力機(jī)上生產(chǎn)，但中間的擠壓余塊無(wú)法用沖孔去除掉，只能采用鉆削加工去除掉，且生產(chǎn)效率低，不容易保證產(chǎn)品的尺寸精度要求。

1.3.3 反擠壓制坯，然后進(jìn)行變薄拉深

反擠壓制坯，然后進(jìn)行變薄拉深工序，如圖4所示。

圖4 工序圖

采用反擠壓制坯，然后進(jìn)行變薄拉深工序，盡管可以提高模具的使用壽命，但輔助工序多，需用設(shè)備多，生產(chǎn)效率低，零件的生產(chǎn)成本較高。

通過(guò)以上分析，決定采用反擠壓成形工藝加工連接套。

2 熱擠壓工藝設(shè)計(jì)

2.1 熱擠壓毛坯設(shè)計(jì)

在壓力機(jī)上，用實(shí)心坯料擠壓成空心透孔的擠壓毛坯，是極其困難的，甚至是不可能的，只能擠壓成不透的杯形零件，而留下一定厚度的擠壓余塊。連接套熱擠壓毛坯的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵是確定擠壓余塊的厚度。擠壓余塊過(guò)厚，會(huì)使下一道沖孔工序沖孔力過(guò)大，熱擠壓毛坯產(chǎn)生變形，不僅影響熱擠壓毛坯的質(zhì)量，同時(shí)會(huì)降低材料利用率；擠壓余塊過(guò)薄，不僅使金屬流動(dòng)困難，而且使擠壓力顯著提高，擠壓凸模容易產(chǎn)生彎曲而引起折斷。

擠壓余塊厚度的確定，通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算[2]：

式中：h—擠壓余塊的厚度（mm）；d—熱擠壓凸模的工作直徑（mm）。

大直徑用較小的系數(shù)，小直徑用較大的系數(shù)。

圖5 毛坯熱擠壓成型圖

2.2 計(jì)算毛坯重量

綜合考慮金屬材料在加工過(guò)程中的損失，根據(jù)圖紙尺寸，利用下面公式計(jì)算毛坯重量。

其中：

MM—毛坯重量；MZ—零件重量，MZ=240 g；S—金屬材料總損失率。

資料查閱[3]，K=2.8%。

2.3 確定毛坯尺寸

根據(jù)零件加工尺寸要求，選取毛坯為直徑φ40圓鋼。

毛坯長(zhǎng)度尺寸：

2.4 計(jì)算熱擠壓變形程度

一般用斷面縮減率來(lái)表示熱擠壓的變形程度。

計(jì)算斷面縮減率公式[1]為：

其中：

ψ—熱擠壓的斷面縮減率（%）；1A—熱擠壓后工件的橫截面積（mm2）；A0—熱擠壓前毛坯的橫截面積（mm2）。

根據(jù)擠壓內(nèi)孔及毛坯直徑尺寸，熱擠壓成型斷面縮減率是：

計(jì)算可知：材料2A12反擠壓許用變形程度[4][ψ]=76%～89%，通過(guò)以上計(jì)算，熱擠壓的變形程度不超過(guò)材料許用變形程度。因此，采用一次熱擠壓成型是可以滿足要求的。

2.5 計(jì)算擠壓力

按照下式計(jì)算擠壓力[4]：

式中：

P—總擠壓力；F—凸模工作部分面積；k—擠壓變形程度修正因數(shù)；查資料[4]7-3表k=4.0；Z—模具形狀影響因數(shù)；查資料[4]7-25表Z=0.9；σb—抗拉強(qiáng)度，查表σb=146 ～ 210 MPa。

所以選用1 000 kN油壓機(jī)。

2.6 生產(chǎn)過(guò)程

零件的生產(chǎn)工藝過(guò)程：下料—退火處理—表面涂潤(rùn)滑劑—毛坯整形—熱擠壓成型—沖底加工。

2.7 選擇擠壓工藝參數(shù)

2.7.1 加熱方式及溫度選擇

若使用箱式電爐加熱，溫度設(shè)定在410℃～460℃，控制保溫時(shí)間42～55 min，基本可以滿足沖壓要求，但75 kW箱式電爐非常耗電，且工人工作條件差，不便于操作，生產(chǎn)效率低。

為了提高生產(chǎn)效率，滿足批量生產(chǎn)的需求，采用網(wǎng)帶式加熱爐，該爐便于操作，可提前送電加熱，一般將爐溫控制在465℃，按15 s/件的速度送料。但需要注意的是，2A12材料加熱溫度到506℃就發(fā)生過(guò)燒，所以要嚴(yán)格控制爐溫的高低及波動(dòng)。

同時(shí)，若需要換模等原因，要停止擠壓工作時(shí)，網(wǎng)帶式連續(xù)加熱爐必須及時(shí)停電，為防止工件過(guò)燒，要將工件從爐內(nèi)全部送出。

2.7.2 預(yù)熱模具溫度

模具進(jìn)行擠壓工作前，需要預(yù)熱，一般預(yù)熱溫度控制在300℃～320℃。

2.7.3 控制熱擠壓速度

2A12材料溫度超過(guò)506℃時(shí)，將產(chǎn)生過(guò)燒現(xiàn)象，而毛坯溫度主要受自身加熱溫度以及變形能產(chǎn)生的熱兩方面影響。實(shí)踐證明，熱擠壓速度越大，毛坯變形越快，溫度升高就越明顯。所以，熱擠壓速度必須嚴(yán)格控制。軸套熱擠壓速度一般不超過(guò)10 mm/s。

3 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一般按常規(guī)方法和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)剪切下料模和沖底模，而整形模和熱擠壓模是重點(diǎn)設(shè)計(jì)的內(nèi)容。

3.1 整形模

毛坯剪切后，一般端面傾斜且粗糙，存在不同程度的偏心和變形，若直接用它進(jìn)行擠壓，易使凸模受側(cè)向作用力而折斷。因此，必須使模腔和坯料精確配合定位，以便使壁厚差減小并獲得較高的尺寸精度。一般毛坯重量約

240～250 g。毛坯整形時(shí)同時(shí)壓出導(dǎo)引孔，主要有三個(gè)作用：

（1）導(dǎo)引孔可以使擠孔沖頭對(duì)準(zhǔn)中心，且改善和調(diào)整擠壓凸模的平面支撐，減小沖擊載荷的影響；

（2）導(dǎo)引孔可以儲(chǔ)存潤(rùn)滑油，保證在擠壓過(guò)程中不斷補(bǔ)充潤(rùn)滑劑至相對(duì)滑動(dòng)表面，以免造成擠壓凸模與毛坯金屬之間的粘附；

（3）壓導(dǎo)引孔的過(guò)程，可使毛坯成形一部分所需形狀。如圖6所示：整形模具示意圖。

圖6 整形模

3.2 熱擠壓模

熱擠壓前，毛坯導(dǎo)引孔一定要正，因?yàn)閿D壓凸模直徑只有14.5 mm，且其長(zhǎng)徑比大于3：1，屬于細(xì)長(zhǎng)軸，如果方向不正，擠孔時(shí)，擠壓凸模易受側(cè)向力而折斷，或者將擠孔擠偏，不能保證熱擠壓毛坯壁厚差不超過(guò)0.15 mm，擠孔模如圖7所示。

圖7 熱擠壓模

3.2.1 設(shè)計(jì)凸模工藝

在熱擠壓模具結(jié)構(gòu)中，受力最大的零件是凸模[5]，要承受沖擊壓縮應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的雙重作用，凸模設(shè)計(jì)是否合理將直接影響模具的使用性能。

在擠壓過(guò)程中，對(duì)熱擠壓成形影響最大的是凸模工作部分的尺寸和形狀。設(shè)計(jì)合理的尺寸和形狀，能改善金屬的流動(dòng)和摩擦、降低擠壓力，并能提高凸模的使用壽命。如圖8所示凸模設(shè)計(jì)零件圖。

圖8 凸模

3.2.2 選擇凸模材料及熱處理方式

由于凸模在高溫環(huán)境中使用，為了避免金屬之間的粘接，凸模材料一般選用熱模具鋼3Cr2W8V，整體調(diào)質(zhì)處理30～35 HRC，工作表面氮化處理63～68 HRC,加工表面粗糙度0.1以下。

4 生產(chǎn)中出現(xiàn)的問(wèn)題及解決措施

4.1 凸模折斷

凸模折斷幾乎占全部損壞凸模的70%～80%，折斷部位大都發(fā)生在臺(tái)階過(guò)渡處。

4.1.1 原因分析

（1）毛坯導(dǎo)引孔偏，凸模工作部分未進(jìn)入毛坯的導(dǎo)引孔，當(dāng)凸模與毛坯接觸時(shí)，產(chǎn)生側(cè)向推力，在彎矩作用下，很容易在過(guò)渡處產(chǎn)生折斷現(xiàn)象；

（2）毛坯與凹模間隙大或凸模與凹模不同心時(shí)，會(huì)造成毛坯壁厚不均勻，過(guò)大的壁厚差會(huì)使凸模受偏心負(fù)荷，以致凸模折斷；

（3）凸模過(guò)渡處圓角半徑太小或過(guò)渡不圓滑，明顯的接刀痕跡很易因應(yīng)力集中而折斷。

4.1.2 解決措施

（1）在毛坯整形時(shí)，正確安裝和調(diào)整模具，保證毛坯導(dǎo)引孔與外圓柱面同心；

（2）控制毛坯與凹模之間的間隙在0.1 mm以內(nèi)，加工時(shí)，保證凹?？字行木€與端面垂直度要求；

（3）增大凸模過(guò)渡處圓角半徑，消除接刀痕跡，使其圓滑過(guò)渡。

4.2 壁厚超差分析

凹凸模同心且凹模與毛坯間隙在合理范圍內(nèi)，在熱擠壓過(guò)程中出現(xiàn)毛坯零件壁厚超差的現(xiàn)象。

4.2.1 原因分析

（1）坯料加熱不均勻，凸模圓周上受力不均勻，導(dǎo)致凸凹模間隙不一致；

（2）凸模韌性較低，凸模受擠壓產(chǎn)生側(cè)向彎曲；

（3）凸模工作部分高度不均勻。

4.2.2 解決措施

（1）均勻加熱坯料，縮小溫差；

（2）將凸模材料由熱作模具鋼3Cr2W8V改為高強(qiáng)韌型冷作模具鋼6W6Mo5Cr4V，熱處理HRC60～64。材料碳化物偏析為三級(jí)；

（3）凸模工作部分保證形狀和尺寸精度。

5 結(jié)束語(yǔ)

連接套批量生產(chǎn)時(shí)，為了提高生產(chǎn)效率，一般采用熱擠壓工藝生產(chǎn)，不僅節(jié)約了材料，還大大減少了機(jī)械加工帶來(lái)的生產(chǎn)成本，具有非常好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。