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1、偏心轴的冷温复合挤压工艺及模具设计本文所述零件偏心轴，是电动工具电锤的重要传动零件。在工作时通过偏心机构使电锤的钻头除了高速旋转外，还要沿轴向产生冲击运动，因此零件要承受很大的冲击载荷，而且电锤的工作环境恶劣、多粉尘，零件易磨损。图1为偏心轴零件图。通过对该零件原工艺存在问题的分析，经过反复试验，提出新工艺，取得了良好的效果。1 热模锻工艺分析偏心轴零件的材料为40Cr，零件成形后采用热处理调质处理。零件由偏心头部、不规则盘部和杆部三部分组成，为外形非对称结构、非等截面的零件。原成形工艺为开式热模锻成形，在模锻成形前，先要将等截面的圆坯料制坯成带有头部的杆形毛坯。然后模锻成形。成形后的锻件沿轴
2、向外形有一圈飞边，锻后要切除飞边。飞边切除后不对称盘部会有残留飞边，还必须采用仿形加工或数控机床加工出桃形的盘部，并采用专用的夹具精车削偏心的头部杆状，生产成本较高。再者，由于热锻件的尺寸精度差，表面粗糙度值高，材料消耗大，不利于精化锻件。显然，热模锻工艺无论在生产效率、材料利用率和锻件尺寸精度等方面都难以满足零件的高精度、大批量生产。图1 偏心轴零件图2 挤压工艺方案分析挤压成形工艺是一种少无切削的成形技术，特别对于回转体、等截面的金属零件的成形，在提高生产效率、降低原材料消耗和提高工件的尺寸精度。减少后道工序的机械加工量方面具有较大的优越性。本零件呈回转体、部分等截面的外形特征，适宜于挤压
3、成形。从零件成形的技术经济性方面考虑，冷挤压成形方案要优于温挤压。这是因为：冷挤压技术不需要坯料的软化加热；成形件的挤压力和成形件的尺寸精度不受成形温度的影响；成形件的尺寸精度高、表面粗糙度值低。但是也存在挤压力大，许用变形程度低等不足。而温挤压技术在弥补冷挤压技术不足方面也有较大的优势。2.1 温挤压直接成形工艺考虑到不经预成形的直接挤压成形工艺。由等截面毛坯直接成形最终工件的变形程度非常大，挤压力会很大，模具的单位负荷也会急剧上升等方面因素。在工艺试验和分析时首先采用了温挤压直接成形工艺，其工艺路线如图2所示。图2 直接挤压成形温挤压直接成形工艺的主要工艺过程：原毛坯冷剪切下料、冷镦粗、表
4、面处理（抛丸处理：去除毛坯表面的油污及氧化皮）、毛坯表面润滑处理、毛坯加热（始锻温度750）、温挤压成形。经过多次试验，该工艺方案存在如下问题：成形过程中，坯料的金属除了沿凸模的运动方向流动外。还有部分金属沿凸模运动方向相反的方向流动，属于复合挤压。造成偏心头部的金属量难以控制，上部金属流入过多。而下模型腔则充不满。由于金属的变形程度大，挤压力急剧上升。模具负荷过大，严重影响模具寿命。直接温挤压时，由等截面的圆毛坯直接成形，锻件得轴向金属分配不均匀，造成杆部金属流入不足，而桃形盘不仅金属量较多，而且形成很大的飞边。显然，由等截面毛坯直接成形本零件不仅变形程度大，而且由于非常大的接触应力的作用，
5、成形时造成工件杆部下端充不满的缺陷。温挤压时金属的流动性要明显优于冷挤压，若采用冷挤压技术直接成形本零件，除了会超出金属的许用变形程度外，零件杆部充不满的缺陷仍然不能解决。2.2 冷温复合挤压工艺对等截面毛坯进行制坯，使坯料的主要截面与零件相应处的截面的金属量接近，则可以极大地改善金属在终成形模膛的流动状况，同时对于改善坯料与模具型腔表面的摩擦条件，提高终锻模具的寿命也起到积极作用。图3为冷温复合挤压工艺。在冷温复合挤压工艺中，原毛坯经镦粗、软化退化和坯料表面润滑处理后，进行冷挤压制坯、成形。冷挤压制坯工序采用正挤压成形，工艺简单、成形性能好、生产效率高，冷挤压预成形工件见图4。图3 为冷温复
6、合挤压工艺图4 预成形工件由于终成形采用温挤压技术，经冷挤压成形后的预成形工件不再进行软化退火处理，通过坯料感应加热来软化坯料。3 关键工序设计及参数计算3.1 预成形工序变形程度许用变形程度越大，工序就越少，生产率也就越高，但单位挤压力也随之增大，模具的负荷也相应增加。因此。在挤压成形过程中应该严格控制其变形程度。预成形正挤压工序的变形程度：断面收缩率：40Cr在许用单位挤压力2000MPa。毛坯高径比h0/d0=1.0，凹模入模角=120时，许用变形程度A许用=67%72%。许用变形程度的凹模锥角修正系数Q0.99；正挤压许用变形程度的毛坯件对高度修正系数QH1.0；经修正后的实际许用变形
7、程度A许用=66.3%71.3%：预成形正挤压时金属的实际变形程度AA许用。因此，预成形件可以一次正挤压成形。3.2 表面处理及润滑挤压时，变形金属与模具型腔壁产生很大的接触应力，不进行润滑，挤压是难以顺利进行的。磷皂化润滑处理是钢冷挤压润滑的有效方法，能显著减小挤压时坯料与模壁的接触应力，故预成形正挤压采用磷皂化润滑处理。但是磷皂化处理不能适应温挤压成形，因为一旦坯料的加热温度高于250。磷化层和皂化剂会发生改性甚至烧焦。使润滑条件恶化。不但不能起到润滑作用，反而增加了坯料与模壁的摩擦力。在试验的前期采用了在模具型腔中涂二硫化钼加油剂作为温挤压时的润滑，从减低变形抗力和提高模具寿命方面看，其
8、效果还是比较显著的。但是，这种方法影响了生产效率，而且油剂在高温下要产生大量的烟雾，使得生产条件恶化，污染空气。为此采用一种特殊的高分子材料作为载体的水剂石墨润滑剂。其在中高温度使用时润滑性能接近冷挤压时的磷皂化效果，而且在中高温下不分解，热稳定性好，对人体也没有危害。尤其显著的特点是使用时不需要对模腔或坯料进行喷涂。而是在坯料加热前进行浸涂，晾干后即可加热进行温挤压。浸涂润滑剂工艺过程：挤压前将坯料作抛丸等处理，清理锈迹、污垢等。然后加热至200左右，出炉浸入水剂石墨润滑剂中，快速捣匀，吊起沥干残液，在干燥处摊开晾干。浸涂润滑剂后的坯料表面必须留有0.030.10mm厚的薄膜，呈黑炭色，并有
9、明显的黑灰色小点；若不然必须重新浸涂。3.3 加热成形温度是温挤压工艺能否顺利进行的关键因素。确定温挤压成形温度的原则是：选择在金属材料塑性好。变形抗力显著下降的温度范围；选择在金属材料发生剧烈氧化前的温度范围，以保证在非保护性气氛中加热时氧化极微；选择的润滑剂能达到最小摩擦系数，不因高温或低于其使用温度而失效；选择在金属材料成形后能强化和不改变其组织结构的温度范围。图5是40Cr的温度一强度关系曲线。从图可见，随着温度的升高，变形抗力总的呈降低趋势。但在300左右，曲线的下降出现反弹，金属变形抗力明显增大，强度增加，伸长率和断面收缩率减小。即塑性下降。也就是所谓的“蓝脆”现象，成形温度应尽可
10、能避开这一温度区域。图5 40Cr的温度一强度曲线随着温度的升高，塑性指标上升。特别在600以上温度时，金属的强度显著下降，相应的塑性指标上升，金属的流动性明显改善，有利于塑性成形。为满足挤压时对钢塑性的要求，在温挤压高强度的材料时往往选择在钢的相变温度以上进行挤压。在相变区挤压，即铁一碳平衡相图Ac1与Ac3线之间挤压。此时，很多高强度钢及合金在相变区内组织正处于向奥氏体转变，塑性好，变形抗力小，有利于挤压成形。加热温度高于800时金属的氧化变得十分剧烈，氧化皮的生成对于增加模具型腔的磨损、工件的尺寸精度和表面粗糙度值都有很大的影响。故将40Cr的加热温度确定在600800之间是合适的。温挤
11、压工序的实际加热温度是750，加热手段采用2500Hz的中频感应加热炉。因为感应加热时间很短，加热后的坯料氧化现象极微，经金相分析没有发现新增脱碳层。3.4 温挤压成形温挤压成形工序主要解决零件偏心盘部及其上部的偏心杆的成形。为了达到较好的成形效果，对零件的轴杆部进行了简化，保留了关键部分的两个台阶，其余均设计成等截面的杆部，见图6。图6 温挤压工件根据介绍，40Cr在700成形的许用模具的冷却。实践证明：温挤压，特别是中高温挤压时，模具的冷却系统设计不合理或冷却不充分，将导致模具的早期失效。当温挤压成形温度在600以上时，若冷却不充分。即使采用了较好的模具材料，在较大的负荷作用下，也会导致模
12、具，特别是凸模的回火软化，不能发挥模具的潜在寿命。钢温挤压时，坯料的加热温度一般在800以下。而且国内普遍采用通用型曲柄压力机或油压机等设备成形，速度较慢。从坯料入模至工件成形，一般需35s的时间，模具的受热时间也相对较长，温升就较快。这时若采用大量冷却水喷射冷却，势必造成坯料过冷，同时也会冲涮或稀释模壁与坯料间的润滑剂。使变形抗力急剧上升，温挤压不能正常进行。图7为温挤压模。由于温挤压凸模的径向尺寸有限。不能在凸模内开设冷却水槽，在模具设计时采用了喷雾冷却，即冷却水和压缩空气混合而成的一种水汽，将喷雾装置安装在凸模上方。呈环形布置。当开模时，雾汽从若干个喷嘴喷出，对凸模进行冷却。它的优点在于
13、：冷却雾汽遇到凸模变形程度约84%。本零件温挤压成形温度在750时，其实际变形程度达到了90.8%，满足相应温度下的许用变形程度要求。从实际的变形及零件的质量来看，经预成形后的坯料直接温挤压成形是可行的。1.下顶杆 2.下模座 3.下模板 4.下顶块 5.下模座垫板 6.下成形顶杆 7.凹模垫块 8.凹模同定圈 9.凹模 10.中层预应力全 11.外层预应力网 12.凸模同定圈 13.上模座 14.上模板 15.导向套 16.凸模垫块 17.上顶杆1 18.上模顶杆2 19.上模顶杆3 20.凸模 21.冷却水管接头图7 温挤压成形模4 模具设计温挤压成形兼具了冷、热成形的特点，因此温挤压时不
14、仅要考虑模具的润滑。也必须充分考虑后。在对凸模冷却的同时马上会蒸发，因此不会造成坯料的过冷；其次，由于雾汽是冷却水和压缩空气混合而成的。通过调节汽、液阀门可以控制冷却水和压缩空气的比例。从而可以达到最佳的冷却效果；再者，由于冷却喷雾通过铜管上若干个喷嘴喷出，冷却均匀，不会形成较大的温度应力，从而有利于延长凸模的使用寿命。凹模冷却机构是在预应力圈（外圈和内圈）的内壁开设若干圈环形水槽。使水在外圈和内圈内部分别环绕数周，带走凹模的热量再流入冷却装置，见图7中冷却水管接头21。为了便于安装冷却系统，并且不影响预应力圈的强度，在设计预应力圈时。外形尺寸应根据实际生产中的经验进行调整，取推荐值的上限。为
15、了保证工件温挤压后的出模。温挤压模除了设计有下顶料机构外。还在上模设计了内卸料机构，保证工件能顺利出模。5 结论（1）采用冷温复合挤压成形工艺可以兼具冷挤压和温挤压技术各自的优点。用于成形外形较复杂、尺寸精度较高、变形程度大的杯、杆类零件可以获得良好的效果。（2）钢的温挤压成形温度应避开其蓝脆温度区间，并在钢发生剧烈氧化温度之前，处于单相奥氏体或奥氏体的二相区可以获得良好的塑性。（3）钢的温挤压能否大批量生产，模具的冷却和润滑十分关键。采用模内循环冷却和坯料浸涂高分子水剂石墨润滑剂对于提高模具寿命有重要作用。（4）采用冷温复合挤压时，原则上应将变形程度大的工序安排为温挤压成形。尽可能简化零件的台阶，等截面杯或杆形更有利于挤压成形。
