復雜形狀球頭銷的冷擠壓工藝

曾志彬

(福建龍溪軸承(集團)股份有限公司，福建 漳州 363000)

球頭銷是彎桿型和直桿型球頭桿端關節軸承的重要組成部件，廣泛應用于汽車前輪轉向系統或摩托車轉向系統中，承受拉、壓、剪、扭和沖擊等多種載荷作用，要求其具有較高的疲勞強度和沖擊韌性，零件材料一般采用低合金結構鋼40Cr并進行調質處理。球頭桿零件的形狀多樣，對于一些形狀比較復雜的球頭銷，采用冷擠壓工藝方法[1]加工具有諸多優點：(1)生產效率高，適合大批量生產；(2)成本低，不僅節約原材料，而且省去部分機加工工序和工時；(3)冷擠壓產生的加工硬化可提高零件的機械強度和硬度；(4)可實現某些結構和形狀復雜較難加工零件的加工。

1 球頭桿結構及工藝分析

某型號球頭桿結構如圖1所示。該球頭桿的球頭、六棱柱面、錐面和螺紋部分的直徑差異較大，采用傳統的棒料車削加工，不僅工序復雜，而且材料利用率低，成本高。為了提高材料的利用率，對該球頭桿的六棱柱面、錐面和螺紋部分采用冷擠壓精鍛工藝加工，預成形至需要的形狀和尺寸，實現少切削或無切削的目的；球頭部位首先進行冷擠壓預成形，再進行機加工成形。這樣不僅可以節約原材料，提高生產效率，還能提高球頭桿的尺寸精度和機械強度。

2 冷擠壓工藝

2.1 工藝方案的制定

冷擠壓零件的形狀是決定擠壓工藝的主要因素，對球頭銷結構進行分析，確定其變形工步如圖2所示。由于螺紋直徑與球頭和棱柱部位理論直徑差異較大，必須采用多次擠壓成形，否則自由端過長，會造成彎曲和偏頭等缺陷。為此選用Φ10 mm棒料，縮小系數為0.71。自由端長度與其直徑之比為5.5，故采用二次擠壓成形。

圖2 球頭桿成形工序圖

2.1.1 縮細及鐓擠錐形螺紋端

由Φ10 mm的棒料縮細至Φ7.8 mm(終成形后精車至螺紋滾絲前直徑)，正擠1∶8錐面及保持桿部為Φ10 mm，同時鐓擠錐形頭至Φ14.2 mm，中間成為鼓形。采用錐形模頂圓直徑為8 mm，比棒料直徑略小，以保證擺料的同軸，使錐頭與桿部直徑的同軸度誤差小于0.3 mm；錐度1∶8處必須充滿，以滿足螺紋尺寸Φ7.8 mm和錐度1∶8的精度要求。

2.1.2 鐓擠球頭和六棱柱面

正擠螺紋坯至Φ7.8 mm，錐度為1∶8和桿部保持Φ10 mm，同時鐓擠球頭和六棱柱面部位至要求尺寸。球頭留有一定余量，頂部允許留有一小平面，保證頸部的良好充滿并為車削球頭提供退刀位置。零件上、下部分的同軸度小于0.4 mm，錐度1∶8處必須充滿；桿部Φ10 mm為次要尺寸，允許自由公差；Φ13 mm和Φ7.8 mm處允許有小的出模角，橫向飛邊量不小于Φ16 mm×1.5 mm。

2.2 毛坯尺寸的確定

按等體積法計算，包括零件凈重及機加工修整余量等，通過3D繪圖算出擠壓件質量為372 g，故毛坯長度為61 mm。

2.3 擠壓力的計算

球頭銷冷擠壓最大變形為最后鐓擠頭部和六棱柱面成形工序，屬于模內冷鐓擠。總壓力的計算公式可采用一般鍛壓工藝中計算變形力的公式[2]

P=pCF，

(1)

式中：P為總的擠壓力，N；p為單位擠壓力，MPa，材料為40Cr，冷模鍛取1 800～2 600 MPa；F為凹模與坯料直接接觸表面在水平面上的投影面積，mm2；C為安全系數，考慮材質的波動、軟化狀況及表面潤滑處理的質量波動等意外因素的影響，一般取C=1.3。

由(1)式計算出的鐓擠力為596 kN，考慮到40Cr材料變形抗力較大，可選用800 kN沖床或四柱通用液壓機作為擠壓設備。

2.4 工藝流程

2.4.1 球頭桿冷擠壓工藝流程

棒料切斷后兩端倒角去棱，并進行退火軟化處理→噴丸處理，去除表面氧化皮→毛坯表面處理(酸洗、磷化、皂化等)→縮細及鐓擠錐形螺紋端→鐓擠球頭和六棱柱面→洗滌后進行調質處理→串桶處理(串光表面)→切削和螺紋加工。

2.4.2 毛坯退火軟化處理

為了降低材料的硬度，提高塑性，消除內應力和得到良好的金相組織，從而降低單位擠壓力和提高模具壽命，必須對毛坯進行軟化處理[2]。40Cr的軟化規范如圖3所示，經退火軟化處理后的坯料硬度不大于163 HB。

圖3 40Cr的退火軟化處理規范

2.4.3 坯料的表面處理和潤滑

對坯料進行磷化處理，使毛坯表面產生磷酸鹽薄層，磷化層與金屬基體有很強的結合力，能牢固附著而不易脫落，并可作為潤滑支承層。再加上皂化作用，既可以防止加工中金屬和模具工作部分直接接觸，又能防止擦傷和黏結，降低摩擦系數和擠壓力，提高冷擠壓產品的表面質量，延長模具的使用壽命[2]。

3 模具設計

根據鐓擠方案，縮細及鐓擠錐形螺紋端、鐓擠球頭和六棱柱面兩工序均使用通用模架，分別裝入錐形上、下模或球形和六棱柱面上、下模進行擠壓。縮細及鐓擠錐形頭的預成形上、下模結構如圖4所示。鐓擠球頭和六棱柱面的模具結構如圖5所示。

1，9—導套；2，8—導柱；3—上模座；4—螺釘；5—上模板；6—錐形上模；7—護套；10—凹模座；11—支承塊；12—頂出銷；13—墊筒；14—下模板；15—頂桿；16—下凹模；17—預應力圈；18—壓緊塊

1，12—導套；2，11—導柱；3—上模座；4—螺釘；5—下卸料桿；6—模把；7—上卸料桿；8—卸料板；9—上凹模；10—上模板；13—凹模座；14—支承塊；15—頂出銷；16—墊筒；17—下模板；18—頂桿；19—下凹模；20—預應力圈；21—壓緊塊

擠壓模具導向精度和裝配精度是保證高精度擠壓成形的關鍵。模具采用導柱、導套導向，使導向精度有了一定保證。考慮到擠壓時的單位擠壓力不大，采用組合式凹模，凹模加上預應力圈的方法有效而經濟地提高了模具的承壓能力，不至于發生切向破裂，從而提高了模具使用壽命。擠壓后，零件由頂出銷頂出。模具的材料選擇參見文獻[2]。

4 結束語

球頭銷采用冷擠壓加工，材料的利用率提高至76%，同時六棱柱面、錐面和螺紋的滾絲前尺寸形成至所需要的形狀和尺寸，達到了少切削或無切削的目的，可以節省大量機加工工序和工時。隨著冷擠壓精鍛技術的不斷提高，冷擠壓精鍛技術將更多地在一些形狀復雜的軸承零部件的加工中得到推廣和應用。