过轮轴开式冷挤压工艺与模具设计.pdf

!模具工业#$%年第&卷第&期引言随着摩托车产业的迅猛发展，小排量摩托车得到不断普及，大排量摩托车已成为摩托车产业发展的重要方向。过轮轴是($)摩托车发动机中带花键的轴类零件，采用冷挤压工艺代替传统的铣削加工，成形出零件的键齿和中间圆盘，为零件加工提供精化毛坯，可大幅度提高生产效率、节约原材料、降低生产成本。此外，由于冷挤压件内部金属流线保持连续，晶粒得到不同程度的破碎和拉长，在后续热处理过程中，挤压件的再结晶形核增多，其晶粒得以细化，从而提高了零件的综合机械性能。冷挤压工艺的关键在于挤压方案的确定和模具设计。方案确定需根据零件结构特点，合理制定工序及各工序变形量；模具设计需保证模具具有足够的强度和寿命，只有挤压方案和模具设计合理，才能确保冷挤压工艺的成功。#工艺分析图所示为过轮轴冷挤压件图，材料为#$*+,-。零件右端是模数为、齿数为#.的渐开线花键，左端是/个#/0 0 1#&0 0 120 0的矩形花键，中间是!(2 3 20 0的圆盘。零件在冷挤压成形过程中有如下技术难点：（）零件属于台阶轴类，左右两端花键只能采取图过轮轴冷挤压件图 收稿日期：#$/4$5 4#.。基金项目：重庆市科委攻关项目（*6 7*8#$2 9*&$&）。作者简介：冯文杰:./(4;，男，重庆人，副教授，主要从事金属成形工艺及模具设计理论教学和科研工作，地址：重庆工学院汽车学院，（电话）$#&4/5/%2/%，&.$5&%2&5，（电子信箱）?A B)C D E 3?F G 3)。过 轮 轴 开 式 冷 挤 压 工 艺 与 模 具 设 计冯文杰，陈莹莹，廖仕利（重庆工学院 汽车学院8重庆($2$）摘要：通过对($)摩托车发动机过轮轴冷挤压工艺性分析，确定了冷挤压工艺方案，阐述了模具型腔主要参数对过轮轴冷挤压成形的影响，介绍了硬质合金模芯镶块剖分式组合凹模结构，该结构可显著提高模具使用寿命，为其他类似零件冷挤压模具设计提供借鉴。关键词：花键轴；开式冷挤压；模具设计中图分类号：7 H&%2 3(文献标识码：I文章编号：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万方数据!模具工业#$%年第&卷第&期开式挤压成形，如果工艺参数制定不合理，单位挤压力超过材料的屈服极限，坯料将会出现局部镦粗现象，金属无法沿模具轴向流动，造成挤压工艺失败。（#）零件中间圆盘径向尺寸较大，在冷镦过程中，如果坯料设计不当，极易产生失稳，造成工艺失败。（&）由于花键轴精度要求较高，特别是两端花键同轴度要求较高，为了使金属流动均匀，避免花键轴线严重弯曲，对模具设计及制造提出了更高要求。&工艺方案设计冷挤压工序共分为步，首先将热轧棒材车加工成如图#（(）所示的光杆形状；然后采用冷镦的方法，预成形坯料到图#（)）和图#（*）所示的形状；再利用安装在上、下模架中的花键凹模，同时挤压出上、下花键，如图#（+）所示；最后采用机加工方法切割花键轴长度和加工两端中心孔，达到挤压件图所示的要求，如图#（,）所示。工艺流程如下：下料及软化退火!车制毛坯!表面处理及润滑!预成形!花键冷挤压!后续机加工。（(）（)）（*）（+）（,）图#冷挤压工序示意图（-）毛坯准备。毛坯的准备阶段包括下料及软化退火、车制毛坯和表面处理及润滑。过轮轴的原材料为#$./0 1热轧棒材，为了降低材料硬度，提高塑性，需将热轧棒材按坯料倍数（单件毛坯长度的倍数）下料后，进行软化退火处理，退火工艺如图&所示。退火后坯料硬度为-&$!-2$3 4。车制毛坯的目的是为了去除热轧棒材表面的轧制缺陷和软化退火产生的氧化皮。为了保证在挤压过程中，坯料表面不直接与模具接触，避免发生粘模现象和降低挤压力，坯料表面还需进行表面处图&#$./0 1材料软化退火工艺理及润滑，零件采用磷化皂化处理方法，工艺流程为：碱洗!水洗!酸洗!中和!水洗!磷化皂化。（#）坯料成形。坯料成形阶段包括预成形和花键冷挤压二部分。预成形使大量金属进行转移，成形出中间圆盘和适合花键冷挤压的杆部尺寸。分#步进行，首先将光杆毛坯冷挤压成形为台阶坯，然后采用冷镦方法成形出中间圆盘。左端矩形花键和右端渐开线花键可同时挤压成形，模具装配图和挤压件实物照片分别如图2、所示。图2模具装配图-5模架#5导向板5上花键凹模2 5下花键凹模 5导向垫板6 5承压筒%5顶杆7 5顶出杆（&）后续机加工。花键冷挤压工序完成后，花键及中间台阶尺寸达到挤压件图要求，挤压坯件需在普通车床上，通过专用夹具定位，切割两端面，达到 万方数据!模具工业#$%年第&卷第&期图过轮轴挤压件照片挤压件长度尺寸要求。此外，还需采用专用夹具定位，软爪夹持，加工两端中心孔，为深加工提供加工基准和测量基准。(模具设计虽然花键轴开式冷挤压的平均单位挤压力一般不会超过%$)*+，但由于坯料局部变形剧烈，凹模型腔尺寸变化较大，应力集中严重，整体凹模在挤压过程中极易破裂，需采用两层组合凹模结构形式。由于花键凹模的正常失效形式表现为花键型腔磨损破坏，模芯采用了耐磨性较好的钢结硬质合金材料。因这种材料较贵，淬火后硬度高，磨削加工较困难，为了降低模具制造成本，减少加工量，模芯部分采用了镶块剖分式结构，如图,所示。热处理后模芯硬度可达,%!%$-./，其寿命比/0 1#)2 3模芯提高了&!倍。图,花键凹模结构1 4硬质合金模芯#4预应力圈&4镶块在所有模具参数中，入模半角!、工作带长度!，引导区长度等花键型腔参数对花键成形影响最大。通过对过轮轴冷挤压过程的有限元数值模拟分析可知，入模半角!5#$6!#6时，成形力最小，因此，在满足有效花键长度的情况下，尽量在此范围内选取入模半角的大小。工作带长度对成形力和顶出力都有一定的影响，工作带越长，材料流动过程中的摩擦阻力越大，导致成形力增加。但如果工作带太短，又会造成金属流动不均匀，使花键轴产生弯曲。根据工艺试验可知，当工作带长度由下式确定时，既可保证花键轴直线度，又可使成形力较小。!5（$4&!$4(）#式中：!工作带长度，7 7；#花键轴小径直径8 7 7。在花键轴开式冷挤压成形过程中8坯料进入模具成形区域时，由于局部变形程度较大，坯料塑变区域向上扩展到工作带以外的一段区域，这段区域的金属有径向流动的趋势，模具引导区的作用就是限制这部分金属径向流动，避免金属在模具口部堆积。根据数值模拟分析和工艺试验结果可知8当入模半角为#6时，过轮轴花键凹模最小引导区长度为：7 9:5#4 7 7。结束语采用冷挤压工艺成形过轮轴，只要工艺方案和模具设计合理，可成功地挤压出花键键齿和中间圆盘，大幅度提高生产效率、节约原材料、降低生产成本。采用硬质合金模芯镶块式组合凹模，可增强模具耐磨性，提高模具使用寿命，可为其他类似零件冷挤压模具设计提供借鉴。参考文献：;1 冷挤压技术编写组=冷挤压技术;)%,=;#杨长顺=冷挤压摸具设计;)(4;&俞汉清=金属塑性成形原理;)4!欢 迎 投 稿?欢 迎 订 阅！欢 迎 刊 登 广 告！万方数据过轮轴开式冷挤压工艺与模具设计过轮轴开式冷挤压工艺与模具设计作者：冯文杰，陈莹莹，廖仕利，FENG Wen-jie，CHEN Ying-ying，LIAO Shi-li作者单位：重庆工学院,汽车学院,重庆,400050刊名：模具工业英文刊名：DIE&MOULD INDUSTRY年，卷(期)：2007，33(3)被引用次数：1次 参考文献(3条)参考文献(3条)1.冷挤压技术编写组 冷挤压技术 19762.杨长顺 冷挤压摸具设计 19943.俞汉清.陈金德 金属塑性成形原理 1999 相似文献(2条)相似文献(2条)1.期刊论文 冯文杰.陈莹莹.陈碧楠.FENG Wen-jie.CHEN Ying-ying.CHEN Bi-nan 矩形花键轴开式冷挤压成形力的数值模拟研究-锻压技术2008,33(1)成形力大小足决定花键轴开式冷挤压成形工艺成败的关键因素.借助刚塑性有限元软件Deform-3D,采用数值模拟的方法分析了矩形花键轴冷挤压过程中,坯料直径、凹模入模半角及键齿尺寸对花键成形力的影响.模拟计算表明,随着坯料直径的增加以及人模半角的增大会引起成形力显著提高;此外,键齿高度的增加及宽度的减小也会引起成形力增加.工艺实验表明,数值模拟的结果对实际生产可起到指导作用.2.期刊论文 徐虹.贾树盛.滕宏春.毛军强.陈晓慧 冷挤压预应力组合凹模刚度的优化设计-机械强度2004,26(5)采用硬质合金作为第一预应力套的材料来增加预应力组合凹模的刚度和疲劳寿命,提高冷挤压件的尺寸精度.由Lames方程的最大内压条件,确定压装后和挤压期间每层材料临界屈服时的直径比和过盈量,并给出不同材料模芯组合模的统一计算模型,开发最优直径、过盈量、最大接触压力的通用计算程序,通过对开式冷挤压某车传动轴花键轴的具体应用表明,使用高硬度材料的冷挤压模具进行预应力处理后,冷挤压件精度更高,模具结构更加坚固.引证文献(1条)引证文献(1条)1.张猛.曾建忠.马月青 复杂形状零件冷挤压成形数值分析和工艺优化期刊论文-上海工程技术大学学报 2010(1)本文链接：http:/