花键套冷挤压过程的工艺研究与分析
徐
军
何代明
徐耀根
湖北十堰442024
东风汽车集团投资有限公司动力设备厂
摘要:本文通过分析花键套冷挤压成型的工艺过程,论证零件在正挤压成型的状态下,约束材料
分流而改善零件充填性的方法。同时对挤压成型模具的结构和控制热处理变形、尺寸散差、退模不畅等问题的技术措施和方法进行了相应的阐述。主题词:花键套
冷挤压工艺
研究与分析
引言花键套在汽车发动机中,是带动油泵
+0-0. 10. 0. 15D 2
H +0.2-0.2
0.1A
6-42°+30+30
R 1
工作的重要零件。工作状态下,既要实现啮合动作的准确完成,又要重复地实现交变载荷的传递。因此,零件设计对结构强度和配合精度同时提出了较高的要求。在采用机械切屑方法加工时,零件的生产效率低、表面粗糙度差,且加工过程会使材料的金属流线被切断,造成机械强度和疲劳寿命大大降低。该零件在采用冷挤压成型的工艺过程后,突出显示了节约材料、产品质量好、经济高效等特点。本文针对采用42CrMo 合金材料的花键套零件,应用正挤压组合模具的技术方法,完成多处成型过程的研究和分析,系统介绍解决材料挤压充填性、尺寸散差控制、外观拉毛、降低工作压力等方面的基本方法和体会。
6-
1.5×45°
R1
+0.1
D1-0.1
0.05
A
D 3
60+°30+3′0′
3.2
+0.5H -0.5
图1花键套零件示意图
为采用机械切屑成型的方式完成该零件加工,将会产生以下几个问题:
(1)加工的坯料最佳方案采用厚壁管型料,可以相应的节省材料,但加工过程比较复杂且繁琐;
(2)加工过程始终要采用专用的夹具和辅具,这样不仅零件受夹持力的影响,尺寸精度无法保证,受反复装夹拆卸的影响,生产效率和表面质量也将很低;
(3)加工切屑过程,必定切断材料的金属流线,使得材料自身抗疲劳性能和耐磨性受到破坏,影响零件的正常使用寿命;
(4)热处理过程的方法应用不当,不仅会造成尺寸精度失准,还会影响到零件产生变形而无法应用。
综合上述分析情况,经再三考虑之后,确定采
1产品工艺分析
花键套零件的基本结构如图1所示。从零件
的示意图中可看出,该零件为薄壁键型齿套类零件,其结构由六个均布的键型齿环绕薄壁套组合而成。产品设计不仅对尺寸精度、表面质量提出了较高的要求,还对零件成型后的机械强度提出了较高的要求。主要工作面的粗糙度为Ra0.8、最小精度误差±0.025mm 、HRc30~37。
经分析零件的结构特性与技术要求之后,认
--
D
0.05
《装备维修技术》2010年第2期(总期第136期)用正挤压成型的技术方案,实现零件结构与外形尺寸一次成型,热处理后通过车削加工内孔,保证各部尺寸精度满足设计要求。
2冷挤压成型工艺流程
零件加工制定的完整工艺流程如下:通过加工实验,证明该工艺流程是科学合理
管材下料坯料车外圆内退火处理清洗皂化处理冷挤压
精车内孔表面磷化处理精车内孔真空淬火处理车两端面
清洗防锈检验包装入库
的,为保证实现产品设计的各项技术参数要求提供了必须的保障。在该流程中,为保证冷挤压主要过程的实现,前三个辅助过程的工艺内容安排是不可缺一的。其内容和作用介绍如下:
高分子皂化剂属于超耐高温润滑脂,是一种黏性较佳的长纤润滑剂。最高使用温度为290-
300℃,不仅有良好的防蚀防锈性,在金属表面的
附着性和渗透性极强,并形成强度极高的薄膜层,因此对降低坯料的表面摩擦系数,提高表面耐磨性及化学稳定性可以起到较好的作用。通过计算分析,42CrMo 合金材料在进行冷挤压时,产生的挤压力可达26000Mpa 。实验证明,坯料通过皂化处理,对冷挤压状态降低摩擦系数,减少坯料表面的颗粒脱落,避免模具受到损伤、提高工件表面质量发挥着决定性作用。
2.1坯料车内外圆:为了保证零件在冷挤压时材
料的流动得到有效地约束,并使其充填性效果比较完美,在冷挤压的凸、凹模结构确定后,根据最佳工艺坯料尺寸要求,必须对坯料进行尺寸修正,保证尺寸的统一性。
2.2退火处理:为了减少冷挤压时材料的内应力
过大,对挤压过程产生不利影响,应对坯料进行退火处理。其方法是:将坯料送入炉内,将炉温加热到780℃时保温6h ,随后降温至650℃时再保温
3挤压凹模的设计
挤压凹模的设计(见图3)是在autoCAD 二维
8h ,当炉温冷却到200℃时将坯料出炉(工艺过程曲线见图2)。这时零件坯料的硬度应在HB ≤140左右,使其结构组织基本消除了金属的内应
力,达到较好的软化处理目的。
T (℃)
平面图设计的基础上,再通过solidworks 完成其三维造型和模具动作原理的动画演示,以期获得理想的设计效果。
6
780±5℃[B2]
650±5℃[B2]
D 3D 4
D 2D 1
6h
降
升温
保温
温
8h 保温
随炉冷
出炉
R
R 2
等温球化退火工艺曲线
t (min )
H
h
15
°
图2退火处理过程曲线图
2.3清洗皂化处理:清洗皂化处理过程,首先是
图3凹模镶件示意图
为了有效地清除坯料表面的金属颗粒及对挤压时可能造成表面损伤的杂质,再则是通过高分子皂化处理,来降低坯料的摩擦系数,提高表面的耐磨性和增加坯料材质的化学稳定性。
从动作原理演示中可以看出,凹模结构的合理性,是确定挤压过程的挤压力大小、材料流动效果及尺寸散差控制的关键。通过材料流动特性与尺寸结构的对比分析,坯料尺寸的大小和凹模结
构尺寸的合理性,同时是零件成型质量的重要因素。在系统分析的基础上,凹模工作部分结构的合理性、可靠性将由D2、h 、退料角进行保证。因为新工艺的设计中确定零件的外圆在挤压成型后不加工所以,D2尺寸就是零件的外圆尺寸。故设计研究的重要内容是完成对工作部结构尺寸h 和精度的确定。
压速度不宜出现过快或不稳定现象;
b .坯料的外形尺寸应统一、挤压余量适中,表
面无残余的金属颗粒或杂质;
c. 细致观察模具工作状态和零件质量,发现
问题及时予以调整或修正。
b .零件退模时,顶出器对坯料有一定的镦挤
作用,应注意避免出现冲击动作。
P
3.1尺寸h 的确定
工作部的结构尺寸h 包涵了2个工作段,即:
工作韧带长度和退料角度。从动画演示中得知,工作韧带的长短是影响材料流动性能和挤压力大小的重要因素,而退料角是控制尺寸散差的重要因素。这也是本次进行工艺过程研究和解决的重要工作内容。在二个因素相互关联、影响的情况下,要准确的确定h 尺寸,必须在动画演示得到充分显现后进行初步确定,再从稳定的实验过程中获取相关的参数,进行修正后予以确定。我们知道:工作韧带短时,材料的流动性好、充填率高,尺寸散差也易于控制;而工作韧带长时,材料的流动性差、充填率低,除容易产生桔皮外,尺寸散差也较难控制。所以,通过实验获取参数,对三维演示的结构尺寸进行修正是必然过程。当工作韧带长度确定之后,退料角度就可同时得到相应的确定,尺寸h 也就得到了确定。通过实验调整,最终该凹模的h 尺寸确定为15mm ,工作韧带长度为6mm 。
图4
挤压过程示意图
成型凸模成型凹模
成型凸模
工件
推料杆
4结论
花键套冷挤压工艺过程的圆满实现,系统地
改善了零件加工成型的质量,使产品不仅在表面质量上达到了设计规范的要求,同时对零件机械强度、使用寿命的提高发挥了有效作用。该零件采用冷挤压成型工艺方法与机械加工成型方法比较,具有以下几个特点:
3.2尺寸散差的控制
一般来讲,工作韧带长度是控制产品尺寸精
度和散差的重要因素,而对零件尺寸散差控制发挥决定性作用的是退料角度。在实验过程中得到证明,当凹模的工作韧带长度确定之后,退料角度大小的选择与零件径向的壁厚尺寸有着极大的关系。即:当零件的壁厚尺寸较大时,退料角度大小的选择仅是次要问题;而零件的壁厚尺寸较小时,退料角度大小的选择则是主要问题。经过多次实验验证,该零件的退料角度调整在15°时,对控制零件的尺寸散差起到了有效的保证作用。
a. 冷挤压成型的单班产量为500件,机械加工成型的单班产量仅为40件,效率提升是原工艺方式的12.5倍;
b .冷挤压成型的加工成本仅为机械加工成型
的1/10;
c. 产品的成品率由85%提高到97%。
3.3冷挤压过程调整
冷挤压凸、凹模加工完成后,进行试冲(挤压
过程见图4)调整时要注意避免以下几方面的问题出现:
a. 凸、凹模的配合间隙调整应一致,初始的挤--
花键套冷挤压过程的工艺研究与分析
徐
军
何代明
徐耀根
湖北十堰442024
东风汽车集团投资有限公司动力设备厂
摘要:本文通过分析花键套冷挤压成型的工艺过程,论证零件在正挤压成型的状态下,约束材料
分流而改善零件充填性的方法。同时对挤压成型模具的结构和控制热处理变形、尺寸散差、退模不畅等问题的技术措施和方法进行了相应的阐述。主题词:花键套
冷挤压工艺
研究与分析
引言花键套在汽车发动机中,是带动油泵
+0-0. 10. 0. 15D 2
H +0.2-0.2
0.1A
6-42°+30+30
R 1
工作的重要零件。工作状态下,既要实现啮合动作的准确完成,又要重复地实现交变载荷的传递。因此,零件设计对结构强度和配合精度同时提出了较高的要求。在采用机械切屑方法加工时,零件的生产效率低、表面粗糙度差,且加工过程会使材料的金属流线被切断,造成机械强度和疲劳寿命大大降低。该零件在采用冷挤压成型的工艺过程后,突出显示了节约材料、产品质量好、经济高效等特点。本文针对采用42CrMo 合金材料的花键套零件,应用正挤压组合模具的技术方法,完成多处成型过程的研究和分析,系统介绍解决材料挤压充填性、尺寸散差控制、外观拉毛、降低工作压力等方面的基本方法和体会。
6-
1.5×45°
R1
+0.1
D1-0.1
0.05
A
D 3
60+°30+3′0′
3.2
+0.5H -0.5
图1花键套零件示意图
为采用机械切屑成型的方式完成该零件加工,将会产生以下几个问题:
(1)加工的坯料最佳方案采用厚壁管型料,可以相应的节省材料,但加工过程比较复杂且繁琐;
(2)加工过程始终要采用专用的夹具和辅具,这样不仅零件受夹持力的影响,尺寸精度无法保证,受反复装夹拆卸的影响,生产效率和表面质量也将很低;
(3)加工切屑过程,必定切断材料的金属流线,使得材料自身抗疲劳性能和耐磨性受到破坏,影响零件的正常使用寿命;
(4)热处理过程的方法应用不当,不仅会造成尺寸精度失准,还会影响到零件产生变形而无法应用。
综合上述分析情况,经再三考虑之后,确定采
1产品工艺分析
花键套零件的基本结构如图1所示。从零件
的示意图中可看出,该零件为薄壁键型齿套类零件,其结构由六个均布的键型齿环绕薄壁套组合而成。产品设计不仅对尺寸精度、表面质量提出了较高的要求,还对零件成型后的机械强度提出了较高的要求。主要工作面的粗糙度为Ra0.8、最小精度误差±0.025mm 、HRc30~37。
经分析零件的结构特性与技术要求之后,认
--
D
0.05
《装备维修技术》2010年第2期(总期第136期)用正挤压成型的技术方案,实现零件结构与外形尺寸一次成型,热处理后通过车削加工内孔,保证各部尺寸精度满足设计要求。
2冷挤压成型工艺流程
零件加工制定的完整工艺流程如下:通过加工实验,证明该工艺流程是科学合理
管材下料坯料车外圆内退火处理清洗皂化处理冷挤压
精车内孔表面磷化处理精车内孔真空淬火处理车两端面
清洗防锈检验包装入库
的,为保证实现产品设计的各项技术参数要求提供了必须的保障。在该流程中,为保证冷挤压主要过程的实现,前三个辅助过程的工艺内容安排是不可缺一的。其内容和作用介绍如下:
高分子皂化剂属于超耐高温润滑脂,是一种黏性较佳的长纤润滑剂。最高使用温度为290-
300℃,不仅有良好的防蚀防锈性,在金属表面的
附着性和渗透性极强,并形成强度极高的薄膜层,因此对降低坯料的表面摩擦系数,提高表面耐磨性及化学稳定性可以起到较好的作用。通过计算分析,42CrMo 合金材料在进行冷挤压时,产生的挤压力可达26000Mpa 。实验证明,坯料通过皂化处理,对冷挤压状态降低摩擦系数,减少坯料表面的颗粒脱落,避免模具受到损伤、提高工件表面质量发挥着决定性作用。
2.1坯料车内外圆:为了保证零件在冷挤压时材
料的流动得到有效地约束,并使其充填性效果比较完美,在冷挤压的凸、凹模结构确定后,根据最佳工艺坯料尺寸要求,必须对坯料进行尺寸修正,保证尺寸的统一性。
2.2退火处理:为了减少冷挤压时材料的内应力
过大,对挤压过程产生不利影响,应对坯料进行退火处理。其方法是:将坯料送入炉内,将炉温加热到780℃时保温6h ,随后降温至650℃时再保温
3挤压凹模的设计
挤压凹模的设计(见图3)是在autoCAD 二维
8h ,当炉温冷却到200℃时将坯料出炉(工艺过程曲线见图2)。这时零件坯料的硬度应在HB ≤140左右,使其结构组织基本消除了金属的内应
力,达到较好的软化处理目的。
T (℃)
平面图设计的基础上,再通过solidworks 完成其三维造型和模具动作原理的动画演示,以期获得理想的设计效果。
6
780±5℃[B2]
650±5℃[B2]
D 3D 4
D 2D 1
6h
降
升温
保温
温
8h 保温
随炉冷
出炉
R
R 2
等温球化退火工艺曲线
t (min )
H
h
15
°
图2退火处理过程曲线图
2.3清洗皂化处理:清洗皂化处理过程,首先是
图3凹模镶件示意图
为了有效地清除坯料表面的金属颗粒及对挤压时可能造成表面损伤的杂质,再则是通过高分子皂化处理,来降低坯料的摩擦系数,提高表面的耐磨性和增加坯料材质的化学稳定性。
从动作原理演示中可以看出,凹模结构的合理性,是确定挤压过程的挤压力大小、材料流动效果及尺寸散差控制的关键。通过材料流动特性与尺寸结构的对比分析,坯料尺寸的大小和凹模结
构尺寸的合理性,同时是零件成型质量的重要因素。在系统分析的基础上,凹模工作部分结构的合理性、可靠性将由D2、h 、退料角进行保证。因为新工艺的设计中确定零件的外圆在挤压成型后不加工所以,D2尺寸就是零件的外圆尺寸。故设计研究的重要内容是完成对工作部结构尺寸h 和精度的确定。
压速度不宜出现过快或不稳定现象;
b .坯料的外形尺寸应统一、挤压余量适中,表
面无残余的金属颗粒或杂质;
c. 细致观察模具工作状态和零件质量,发现
问题及时予以调整或修正。
b .零件退模时,顶出器对坯料有一定的镦挤
作用,应注意避免出现冲击动作。
P
3.1尺寸h 的确定
工作部的结构尺寸h 包涵了2个工作段,即:
工作韧带长度和退料角度。从动画演示中得知,工作韧带的长短是影响材料流动性能和挤压力大小的重要因素,而退料角是控制尺寸散差的重要因素。这也是本次进行工艺过程研究和解决的重要工作内容。在二个因素相互关联、影响的情况下,要准确的确定h 尺寸,必须在动画演示得到充分显现后进行初步确定,再从稳定的实验过程中获取相关的参数,进行修正后予以确定。我们知道:工作韧带短时,材料的流动性好、充填率高,尺寸散差也易于控制;而工作韧带长时,材料的流动性差、充填率低,除容易产生桔皮外,尺寸散差也较难控制。所以,通过实验获取参数,对三维演示的结构尺寸进行修正是必然过程。当工作韧带长度确定之后,退料角度就可同时得到相应的确定,尺寸h 也就得到了确定。通过实验调整,最终该凹模的h 尺寸确定为15mm ,工作韧带长度为6mm 。
图4
挤压过程示意图
成型凸模成型凹模
成型凸模
工件
推料杆
4结论
花键套冷挤压工艺过程的圆满实现,系统地
改善了零件加工成型的质量,使产品不仅在表面质量上达到了设计规范的要求,同时对零件机械强度、使用寿命的提高发挥了有效作用。该零件采用冷挤压成型工艺方法与机械加工成型方法比较,具有以下几个特点:
3.2尺寸散差的控制
一般来讲,工作韧带长度是控制产品尺寸精
度和散差的重要因素,而对零件尺寸散差控制发挥决定性作用的是退料角度。在实验过程中得到证明,当凹模的工作韧带长度确定之后,退料角度大小的选择与零件径向的壁厚尺寸有着极大的关系。即:当零件的壁厚尺寸较大时,退料角度大小的选择仅是次要问题;而零件的壁厚尺寸较小时,退料角度大小的选择则是主要问题。经过多次实验验证,该零件的退料角度调整在15°时,对控制零件的尺寸散差起到了有效的保证作用。
a. 冷挤压成型的单班产量为500件,机械加工成型的单班产量仅为40件,效率提升是原工艺方式的12.5倍;
b .冷挤压成型的加工成本仅为机械加工成型
的1/10;
c. 产品的成品率由85%提高到97%。
3.3冷挤压过程调整
冷挤压凸、凹模加工完成后,进行试冲(挤压
过程见图4)调整时要注意避免以下几方面的问题出现:
a. 凸、凹模的配合间隙调整应一致,初始的挤--