冷擠壓軸類件桿部彎曲原因分析及改進(jìn)

文/余意，姚燕·陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司

我公發(fā)司現(xiàn)總某一長度軸短鍛，件毛，坯其圖鍛要件求圖為見圖32 11，.1-+1粗m3車m時，實(shí)測僅318mm甚至更短，銑雙端面時帶黑皮。

圖1 某一軸鍛件毛坯圖

設(shè)計(jì)本批鍛件返修工藝，可選用以下方案：

⑴自由鍛拔長φ56mm 對應(yīng)的桿部。但由于自由鍛拔長尺寸精度難以控制，此類鍛件自由鍛拔長時桿部單邊加工余量需達(dá)5mm，而此鍛件桿部加工余量僅2.665mm，無法再次自由鍛拔長；

⑵熱擠壓φ56mm 對應(yīng)的桿部。熱擠壓方案雖然可行，但熱擠壓完成后需要增加一次正火工序；

⑶冷擠壓φ56mm 對應(yīng)的桿部。

綜上所述，最終選用冷擠壓φ56mm 對應(yīng)的桿部的方案來返修本批鍛件。

返修工藝、模具設(shè)計(jì)及應(yīng)用

針對上述冷擠壓φ56mm 對應(yīng)的桿部的返修方案，設(shè)計(jì)冷擠壓件圖(圖2)，將原φ56mm 桿靠近軸端約60mm 部分冷擠壓至φ54mm，此時，桿部伸長量約為4.5mm，可滿足返修需求。此時，斷面縮減率Z=[(d0-d1)/d0]×100%≈7%。用簡易計(jì)算法計(jì)算冷擠壓力F=Aproj×k(其中，Aproj在正擠壓時等于積壓件的大端直徑和末端直徑之間的環(huán)形面積，k 為材料因子，在此取2400N/mm2),計(jì)算得F ≈414.7kN，可選用公司現(xiàn)有的400t 油壓機(jī)(公稱壓力4000kN)返修本批鍛件。返修工序?yàn)椋合涫綘t整體加熱(100℃)→蘸高分子冷擠壓潤滑劑(30s)→冷卻→冷擠壓。

圖2 冷擠壓件圖

由于僅用于返修本批鍛件，故設(shè)計(jì)了簡易冷擠壓模具(圖3)，其中，上模板、下模座、頂桿均為現(xiàn)有模具，僅冷擠壓模和頂桿定位塊需投制。冷擠壓模靠壓板固定在下模座上。為方便后續(xù)分析，定義冷擠壓凹模(圖4)φ57mm 處為入口導(dǎo)向段，20°處為入口角，φ54mm×5mm 為工作帶，φ55mm 處為出口導(dǎo)向段。

圖3 簡易冷擠壓模安裝示意圖

圖4 冷擠壓凹模圖

模具投制安裝完成后，經(jīng)現(xiàn)場試制，發(fā)現(xiàn)φ56mm 對應(yīng)的桿部可以被冷擠壓到φ54mm，長度也可滿足不小于323mm 的要求。但冷擠壓出來的毛坯(圖5)仍存在以下問題：

圖5 冷擠壓件

⑴φ56mm 的桿部明顯彎曲，實(shí)測直線度達(dá)2mm，φ54mm 對應(yīng)的軸端面也明顯傾斜；

⑵20°入口角處有明顯金屬堆積。

問題分析及改進(jìn)

問題分析

⑴冷擠壓后桿部彎曲及軸端面傾斜的問題，其主要原因有以下三個方面。

①坯料由入口導(dǎo)向段放入時，間隙偏大，不能保證坯料在擠壓過程中保持在垂直狀態(tài)，從而冷擠壓力容易發(fā)生偏斜，極易導(dǎo)致擠壓件彎曲。

②冷擠壓時要求坯料能夠均勻的擠出擠壓凹模工作帶，若工作帶部分模具加工精度難以保證，工作帶高度不均勻(圖6)，就會引起摩擦阻力分布不均勻，從而使金屬流動速度不同，也容易導(dǎo)致擠壓件彎曲。并且工作帶部分不宜過長，否則會增加工作帶對擠壓件的摩擦力，且容易發(fā)生材料粘模。

圖6 擠壓凹模工作帶高度不均勻引起彎曲

③出口導(dǎo)向段直徑也不能太大，不能完全放開，起不到導(dǎo)向作用，因?yàn)閿D壓過程中，各種因素的影響，難免導(dǎo)致擠壓件彎曲，此時，就需要出口導(dǎo)向段起到導(dǎo)向且糾正的作用。出口導(dǎo)向段也不宜過短，否則在頂出過程中，也可能會導(dǎo)致擠壓件彎曲。

⑵對于入口角處有金屬堆積的問題，其主要與擠壓凹模入口角大小有關(guān)。當(dāng)金屬進(jìn)入凹模入口附件的變形區(qū)時，沿著模具表面造成流線彎曲，而一旦擠出凹模出口就不再變形。變形區(qū)的大小和形狀，在穩(wěn)定變形時基本上是不變的，金屬相繼沿著同樣的流線流動。假如入口形狀和潤滑狀態(tài)是完全理想的，則擠出金屬的變形情況是均勻的［圖7(b)］，且不會產(chǎn)生剪切變形，這就是擠壓時的理想變形。但實(shí)際上凹模表面與金屬毛坯之間總是有摩擦的，而且由于凹模入口形狀的影響，擠壓件中間部分的金屬流動比外表面要快，結(jié)果造成網(wǎng)格橫線彎曲。其彎曲程度和凹模表面的摩擦及入口角的大小有關(guān)。當(dāng)凹模入口角大時，很有可能出現(xiàn)“死區(qū)”［圖7(e)］。該區(qū)金屬因受到約束而不易變形，從而在凹模入口角處出現(xiàn)金屬堆積現(xiàn)象。

圖7 正擠壓過程中的變形

擠壓凹模改進(jìn)

針對上述分析，重新設(shè)計(jì)冷擠壓凹模(圖8)，測量坯料φ56mm 處的實(shí)際尺寸，將入口導(dǎo)向段設(shè)計(jì)為φ56.6mm，入口角改為10°，工作帶長度由5mm 改為3mm，出口導(dǎo)向段改為φ54.1mm，與工作帶間隙僅為0.05mm，并加長出口導(dǎo)向段長度。在其他條件均不變的情況下，將重新設(shè)計(jì)冷擠壓模安裝后試制，獲得了合格的冷擠壓件(圖9)，桿部同軸度可控制在0.5mm 左右，且未見端面傾斜和入口角堆料情況。

圖8 改進(jìn)后冷擠凹模

圖9 改后冷擠壓件

結(jié)論

本文通過分析某軸冷擠壓返修方案及模具設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中存在的問題及改進(jìn)，得出如下結(jié)論：

⑴冷擠壓作為軸類鍛件長度短的返修方案是可行的；

⑵在冷擠壓模具設(shè)計(jì)時，工作帶不宜過長，對于擠壓件材料為鋼鐵材料時，工作帶長度一般取2 ～3mm；

⑶在冷擠壓模具設(shè)計(jì)時，出口導(dǎo)向段直徑不宜過大，一般取出口導(dǎo)向段直徑D1比工作帶直徑D 大0.1 ～0.4mm。