連接套加工工藝的研究

劉新平,王建立

（1.山東交通職業學院,山東 濰坊 261206; 2.山東科技職業學院,山東 濰坊 261053）

0 引言

軸套是機械產品中重要且常用的一種零件，如圖1所示是某產品重要連接套。選用材料2A12，年產量為6萬件，屬于批量生產。

圖1 軸套

1 加工工藝分析

1.1 機械加工

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

1.2 冷擠壓成型加工

采用冷擠壓成型工藝加工該零件。該方法具有生產效率高，零件的生產成本低，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，易導致裂紋產生，出現廢品。

1.3 熱擠壓成型加工

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

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長，達到擠壓凸模直徑的5.45倍，對擠壓凸模的穩定性不利，很容易產生彎曲而引起折斷，由于材料在高溫時塑性較好，擠壓力較小，選用合適的模具材料，能夠避免擠壓凸模產生彎曲而引起折斷。同時擠壓余塊通過沖孔去除掉，采用沖孔加工生產效率較高。

1.3.2 復合擠壓成型

如圖3所示，復合擠壓成型工序圖。

圖3 復合擠壓成型工序圖

復合擠壓成型可以一次熱擠壓成形該零件，改變擠壓凸模過長的缺陷，提高擠壓凸模的使用壽命，且適合單動壓力機上生產，但中間的擠壓余塊無法用沖孔去除掉，只能采用鉆削加工去除掉，且生產效率低，不容易保證產品的尺寸精度要求。

1.3.3 反擠壓制坯，然后進行變薄拉深

反擠壓制坯，然后進行變薄拉深工序，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，需用設備多，生產效率低，零件的生產成本較高。

通過以上分析，決定采用反擠壓成形工藝加工連接套。

2 熱擠壓工藝設計

2.1 熱擠壓毛坯設計

在壓力機上，用實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計，關鍵是確定擠壓余塊的厚度。擠壓余塊過厚，會使下一道沖孔工序沖孔力過大，熱擠壓毛坯產生變形，不僅影響熱擠壓毛坯的質量，同時會降低材料利用率；擠壓余塊過薄，不僅使金屬流動困難，而且使擠壓力顯著提高，擠壓凸模容易產生彎曲而引起折斷。

擠壓余塊厚度的確定，通常根據經驗公式進行計算[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，小直徑用較大的系數。

圖5 毛坯熱擠壓成型圖

2.2 計算毛坯重量

綜合考慮金屬材料在加工過程中的損失，根據圖紙尺寸，利用下面公式計算毛坯重量。

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

根據零件加工尺寸要求，選取毛坯為直徑φ40圓鋼。

毛坯長度尺寸：

2.4 計算熱擠壓變形程度

一般用斷面縮減率來表示熱擠壓的變形程度。

計算斷面縮減率公式[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）。

根據擠壓內孔及毛坯直徑尺寸，熱擠壓成型斷面縮減率是：

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

2.5 計算擠壓力

按照下式計算擠壓力[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；查資料[4]7-3表k=4.0；Z—模具形狀影響因數；查資料[4]7-25表Z=0.9；σb—抗拉強度，查表σb=146 ～ 210 MPa。

所以選用1 000 kN油壓機。

2.6 生產過程

零件的生產工藝過程：下料—退火處理—表面涂潤滑劑—毛坯整形—熱擠壓成型—沖底加工。

2.7 選擇擠壓工藝參數

2.7.1 加熱方式及溫度選擇

若使用箱式電爐加熱，溫度設定在410℃～460℃，控制保溫時間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，生產效率低。

為了提高生產效率，滿足批量生產的需求，采用網帶式加熱爐，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℃就發生過燒，所以要嚴格控制爐溫的高低及波動。

同時，若需要換模等原因，要停止擠壓工作時，網帶式連續加熱爐必須及時停電，為防止工件過燒，要將工件從爐內全部送出。

2.7.2 預熱模具溫度

模具進行擠壓工作前，需要預熱，一般預熱溫度控制在300℃～320℃。

2.7.3 控制熱擠壓速度

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

3 模具結構設計

一般按常規方法和標準設計剪切下料模和沖底模，而整形模和熱擠壓模是重點設計的內容。

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，若直接用它進行擠壓，易使凸模受側向作用力而折斷。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。毛坯整形時同時壓出導引孔，主要有三個作用：

（1）導引孔可以使擠孔沖頭對準中心，且改善和調整擠壓凸模的平面支撐，減小沖擊載荷的影響；

（2）導引孔可以儲存潤滑油，保證在擠壓過程中不斷補充潤滑劑至相對滑動表面，以免造成擠壓凸模與毛坯金屬之間的粘附；

（3）壓導引孔的過程，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，毛坯導引孔一定要正，因為擠壓凸模直徑只有14.5 mm，且其長徑比大于3：1，屬于細長軸，如果方向不正，擠孔時，擠壓凸模易受側向力而折斷，或者將擠孔擠偏，不能保證熱擠壓毛坯壁厚差不超過0.15 mm，擠孔模如圖7所示。

圖7 熱擠壓模

3.2.1 設計凸模工藝

在熱擠壓模具結構中，受力最大的零件是凸模[5]，要承受沖擊壓縮應力和彎曲應力的雙重作用，凸模設計是否合理將直接影響模具的使用性能。

在擠壓過程中，對熱擠壓成形影響最大的是凸模工作部分的尺寸和形狀。設計合理的尺寸和形狀，能改善金屬的流動和摩擦、降低擠壓力，并能提高凸模的使用壽命。如圖8所示凸模設計零件圖。

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，整體調質處理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 生產中出現的問題及解決措施

4.1 凸模折斷

凸模折斷幾乎占全部損壞凸模的70%～80%，折斷部位大都發生在臺階過渡處。

4.1.1 原因分析

（1）毛坯導引孔偏，凸模工作部分未進入毛坯的導引孔，當凸模與毛坯接觸時，產生側向推力，在彎矩作用下，很容易在過渡處產生折斷現象；

（2）毛坯與凹模間隙大或凸模與凹模不同心時，會造成毛坯壁厚不均勻，過大的壁厚差會使凸模受偏心負荷，以致凸模折斷；

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

4.1.2 解決措施

（1）在毛坯整形時，正確安裝和調整模具，保證毛坯導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，加工時，保證凹?？字行木€與端面垂直度要求；

（3）增大凸模過渡處圓角半徑，消除接刀痕跡，使其圓滑過渡。

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，在熱擠壓過程中出現毛坯零件壁厚超差的現象。

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，導致凸凹模間隙不一致；

（2）凸模韌性較低，凸模受擠壓產生側向彎曲；

（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改為高強韌型冷作模具鋼6W6Mo5Cr4V，熱處理HRC60～64。材料碳化物偏析為三級；

（3）凸模工作部分保證形狀和尺寸精度。

5 結束語

連接套批量生產時，為了提高生產效率，一般采用熱擠壓工藝生產，不僅節約了材料，還大大減少了機械加工帶來的生產成本，具有非常好的經濟和社會效益。