復(fù)雜形狀球頭銷的冷擠壓工藝

曾志彬

(福建龍溪軸承(集團(tuán))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(guān)節(jié)軸承的重要組成部件，廣泛應(yīng)用于汽車前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)或摩托車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)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(qiáng)度和沖擊韌性，零件材料一般采用低合金結(jié)構(gòu)鋼40Cr并進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。球頭桿零件的形狀多樣，對(duì)于一些形狀比較復(fù)雜的球頭銷，采用冷擠壓工藝方法[1]加工具有諸多優(yōu)點(diǎn)：(1)生產(chǎn)效率高，適合大批量生產(chǎn)；(2)成本低，不僅節(jié)約原材料，而且省去部分機(jī)加工工序和工時(shí)；(3)冷擠壓產(chǎn)生的加工硬化可提高零件的機(jī)械強(qiáng)度和硬度；(4)可實(shí)現(xiàn)某些結(jié)構(gòu)和形狀復(fù)雜較難加工零件的加工。

1 球頭桿結(jié)構(gòu)及工藝分析

某型號(hào)球頭桿結(jié)構(gòu)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(tǒng)的棒料車削加工，不僅工序復(fù)雜，而且材料利用率低，成本高。為了提高材料的利用率，對(duì)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(yù)成形至需要的形狀和尺寸，實(shí)現(xiàn)少切削或無切削的目的；球頭部位首先進(jìn)行冷擠壓預(yù)成形，再進(jìn)行機(jī)加工成形。這樣不僅可以節(jié)約原材料，提高生產(chǎn)效率，還能提高球頭桿的尺寸精度和機(jī)械強(qiáng)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(duì)球頭銷結(jié)構(gòu)進(jìn)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(huì)造成彎曲和偏頭等缺陷。為此選用Φ10 mm棒料，縮小系數(shù)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(xì)及鐓擠錐形螺紋端

由Φ10 mm的棒料縮細(xì)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(shí)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(shí)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(jì)算，包括零件凈重及機(jī)加工修整余量等，通過3D繪圖算出擠壓件質(zhì)量為372 g，故毛坯長度為61 mm。

2.3 擠壓力的計(jì)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(nèi)冷鐓擠。總壓力的計(jì)算公式可采用一般鍛壓工藝中計(jì)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(shù)，考慮材質(zhì)的波動(dòng)、軟化狀況及表面潤滑處理的質(zhì)量波動(dòng)等意外因素的影響，一般取C=1.3。

由(1)式計(jì)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(jī)作為擠壓設(shè)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(jìn)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(xì)及鐓擠錐形螺紋端→鐓擠球頭和六棱柱面→洗滌后進(jìn)行調(diào)質(zhì)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(nèi)應(yīng)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(duì)毛坯進(jìn)行軟化處理[2]。40Cr的軟化規(guī)范如圖3所示，經(jīng)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(guī)范

2.4.3 坯料的表面處理和潤滑

對(duì)坯料進(jìn)行磷化處理，使毛坯表面產(chǎn)生磷酸鹽薄層，磷化層與金屬基體有很強(qiáng)的結(jié)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(jié)，降低摩擦系數(shù)和擠壓力，提高冷擠壓產(chǎn)品的表面質(zhì)量，延長模具的使用壽命[2]。

3 模具設(shè)計(jì)

根據(jù)鐓擠方案，縮細(xì)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(jìn)行擠壓。縮細(xì)及鐓擠錐形頭的預(yù)成形上、下模結(jié)構(gòu)如圖4所示。鐓擠球頭和六棱柱面的模具結(jié)構(gòu)如圖5所示。

1，9—導(dǎo)套；2，8—導(dǎo)柱；3—上模座；4—螺釘；5—上模板；6—錐形上模；7—護(hù)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(yù)應(yīng)力圈；18—壓緊塊

1，12—導(dǎo)套；2，11—導(dǎo)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(yù)應(yīng)力圈；21—壓緊塊

擠壓模具導(dǎo)向精度和裝配精度是保證高精度擠壓成形的關(guān)鍵。模具采用導(dǎo)柱、導(dǎo)套導(dǎo)向，使導(dǎo)向精度有了一定保證。考慮到擠壓時(shí)的單位擠壓力不大，采用組合式凹模，凹模加上預(yù)應(yīng)力圈的方法有效而經(jīng)濟(jì)地提高了模具的承壓能力，不至于發(fā)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(xiàn)[2]。

4 結(jié)束語

球頭銷采用冷擠壓加工，材料的利用率提高至76%，同時(shí)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(dá)到了少切削或無切削的目的，可以節(jié)省大量機(jī)加工工序和工時(shí)。隨著冷擠壓精鍛技術(shù)的不斷提高，冷擠壓精鍛技術(shù)將更多地在一些形狀復(fù)雜的軸承零部件的加工中得到推廣和應(yīng)用。