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典型零件成形工藝,全國緊固件標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì) 標(biāo)準(zhǔn)宣貫租 2006年11月,一、汽車后輪內(nèi)螺母多工位加工工藝 介紹,1、工藝分析,此零件為典型的擠壓杯形件，其分三部分組成：球面凸緣、空心圓柱及四方尾部。,2、變形工步的設(shè)計(jì),此零件采用五工位成形，其工藝流程為：切料－整形－鐓平－鐓頭－精鐓頭及倒角－正反復(fù)合擠壓。（見下圖） 正反復(fù)合擠壓 鐓頭及倒角 鐓頭 鐓平 整形 切料,3、變形特點(diǎn)分析,3.1、正反復(fù)合擠壓變形程度 3.1.1、正擠壓 斷面收縮率εF=（1－）×100％＝26％ 3.1.2、反擠壓 斷面收縮率εF=×100％＝×100％＝42％,3.2、球面凸緣鐓粗 3.2.1、鐓粗變形特點(diǎn),鐓粗變形一般分為三個(gè)區(qū)域（見上圖） 區(qū)域Ⅰ稱為難變形區(qū)，這是和上下壓頭接觸的區(qū)域。由于表層受到很大的摩擦阻力，這個(gè)區(qū)域的單元體都處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，愈接近中心，三向壓縮程度愈強(qiáng)烈，所以這區(qū)域的變形很小。 區(qū)域Ⅱ?yàn)榇笞冃螀^(qū)，它是處于上、下兩個(gè)難變形錐體之間的部分（外圍層除外）。這部分受到的接觸摩擦力的影響已較小，因而水平方向上受到的壓應(yīng)力較小單元體主要在軸向力作用下產(chǎn)生很大的壓縮變形，徑向有較大的擴(kuò)展，由于難變形錐體的擠壓作用，還有向上、下彎曲的現(xiàn)象，這些變形的綜合，外形出現(xiàn)了鼓形。 區(qū)域Ⅲ是外側(cè)的筒形部分，稱小變形區(qū)。它的外側(cè)是自由表面，端面摩擦影響又小，因而應(yīng)力狀態(tài)可看成近似單向壓縮，其變形不大。,3.2.2、鐓粗變形的端面變化,球面凸緣鐓粗工藝方案如下圖所示,球面凸緣鐓粗工藝方案如下圖所示,針對(duì)以上分析，在二序的成形中上端面需預(yù)制出一定的球面，使其在三序成形時(shí)，金屬在向徑向擴(kuò)展時(shí)始終保持一弧面，最終與三序上模球面相吻合。在二序毛坯設(shè)計(jì)中應(yīng)注意上端面直徑的大小，過大，會(huì)造成端面尺寸增長(zhǎng)過快，使金屬還未來得及充滿球面頂部就被鐓粗壓縮，致使球面充不滿；過小，會(huì)造成在二序成形中，由于球面變形程度較大，致使外圓鐓粗，球面端面懸空，無法得到再一次鐓平，端面留有切斷裂紋，此裂紋會(huì)在下序變形中滑移到球面上。,3.3、中間工位毛坯設(shè)計(jì),中間工位毛坯是擠壓前半成品，主要進(jìn)行材料體積和變形量的分配，為成品擠壓形狀及尺寸等方面的準(zhǔn)備工作。,3.3.1、中間毛坯設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下問題,1）最大限度滿足擠壓件的質(zhì)量要求； 2）應(yīng)保證充滿難以擠壓到位的局部形狀； 3）避免毛坯呈懸空狀態(tài)，增設(shè)中間變形； 4）中間毛坯錐形的錐度應(yīng)大于擠壓件相應(yīng)處的錐角，這樣便于錐角毛坯放入凹模，確保擠壓過程不致出現(xiàn)多余金屬。,3.3.2、各毛坯間的尺寸配合,a、徑向尺寸的配合關(guān)系 確定徑向尺寸配合關(guān)系的原則是：要使毛坯能夠自由放入下道的模腔內(nèi)。在確定各道毛坯尺寸時(shí)，應(yīng)從成品開始反過來進(jìn)行推算。 b、軸向尺寸的配合關(guān)系 考慮到成形時(shí)，將有部分金屬進(jìn)入模腔內(nèi)，使軸向尺寸增加一高度ΔH。 c、其它尺寸的配合關(guān)系 為防止金屬滯流，中間毛坯的過渡部位應(yīng)設(shè)計(jì)為錐形。,3.4、原材料要求,原材料選用冷拉圓鋼，由于采用多工位成形，無法進(jìn)行中間處理，為便于成形，因此需要嚴(yán)格規(guī)定原材料的技術(shù)要求。 其要求為： a. 材料表面應(yīng)光滑，潔凈，不允許有任何的裂紋、氣泡、折疊、皺皮、夾雜和發(fā)紋存在； b. 磷化膜均勻、致密，結(jié)合牢固，厚度在8～14μm，表面不得有拉毛、銹蝕等缺陷； c. 硬度不大于HB160，珠光體級(jí)別不小于5級(jí)；,3.5、材料體積計(jì)算,運(yùn)用制圖軟件Autocad進(jìn)行精確的1:1繪制第五工位毛坯立體圖，通過工具欄查詢可知體積，當(dāng)然也可分為幾個(gè)簡(jiǎn)單的立體形狀進(jìn)行組合計(jì)算，得到體積，但運(yùn)用制圖軟件可以更快捷、準(zhǔn)確，同時(shí)可對(duì)各部分體積進(jìn)行調(diào)整、編輯，合理設(shè)計(jì)毛坯尺寸。,4、 成形力計(jì)算,4.1、剪切力的計(jì)算 根據(jù)以上設(shè)計(jì)的毛坯預(yù)留間隙，選用ML20Cr，φ28.1材料。 剪切力P＝280KN ML20Cr，硬度160HB，由圖6-31（注：《沖壓設(shè)計(jì)手冊(cè)》）查得 材料抗拉強(qiáng)度σb＝550N/mm2 4.2、整形（一序）、鐓平（二序）力的計(jì)算： 整形力P＝830 KN 鐓平力P＝1055KN,,鐓粗時(shí)的系數(shù)C值 H1＞d1 C≈2.4 H1≤0.8d1 C≈3～5 注：《沖壓設(shè)計(jì)資料》圖6-32,鐓粗時(shí)的系數(shù)C值 注：《冷鍛手冊(cè)》圖2.47,4.3、三、四序成形力的計(jì)算,三序成形力 P＝F·C·σ均＝0.785×35.362×1.8×595/1000＝1075KN 四序成形力 P＝F·C·σ均＝0.785×35.82×1.8×595/1000＝1082KN 4.4、正反復(fù)合擠壓力計(jì)算： 擠壓力P＝p·F凸模＝2380×0.785×18.68 2/1000＝660KN 總鐓鍛力P＝4980 KN，,,5、主要模具設(shè)計(jì),5.1、切料工位模具設(shè)計(jì) 為保證切料質(zhì)量及提高模具使用壽命，切料方式采用套筒切料，割料模及切刀模均采用硬質(zhì)合金YG20C材料制造，為避免料彎而進(jìn)料不暢，將割料模入口處制出一定的斜度,5.2、一、二、三、四工位模具設(shè)計(jì),一、二、三、四工位單位成形力分別為1320 Mpa、1650 Mpa、1071 Mpa、1071 Mpa，必須采用多層次組合凹模結(jié)構(gòu)，為方便模具設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化，統(tǒng)一采用三層組合凹模， 三層組合凹模的最佳設(shè)計(jì)方案是凹模與第一預(yù)應(yīng)力環(huán)及第二預(yù)應(yīng)力環(huán)同時(shí)屈服，而且要根據(jù)給定的凹模內(nèi)外徑尺寸來決定能使容許內(nèi)壓達(dá)到最大的預(yù)應(yīng)力環(huán)直徑及過盈量。,6、潤(rùn)滑,為了降低成形時(shí)的單位成形力，提高零件表面質(zhì)量，延長(zhǎng)模具使用壽命，必須對(duì)成形毛坯進(jìn)行合理的潤(rùn)滑處理。 對(duì)原材料表面采用磷酸鹽處理，經(jīng)過這樣處理的表面形成一層多孔狀的薄膜，具有良好塑性，可容納一定量的潤(rùn)滑劑，同時(shí)采用高壓潤(rùn)滑油，在進(jìn)行穿孔擠壓時(shí)，由于四序毛坯的凹穴存在，形成潤(rùn)滑劑的儲(chǔ)存窩，提供充分的潤(rùn)滑。,1、螺母熱鐓機(jī)的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn),1.1、螺母熱鐓機(jī)的優(yōu)點(diǎn) ⑴、原材料采用熱軋棒料，省去改拔、退火、磷化等材料改制工序； ⑵、因采用熱鐓加工，材料的變形量范圍大，對(duì)于不同規(guī)格的產(chǎn)品可以選用同種規(guī)格的材料，大大降低原材料的使用規(guī)格； 采用熱鐓加工變形抗力較小，中間連皮可制得較冷成形薄，沖孔廢料節(jié)省20％左右；較自動(dòng)車加工原材料利用率提高1.6倍； ⑶、熱鐓機(jī)連續(xù)加工，減少冷擠中間退火、磷化等多次往返工序，相對(duì)于冷擠分序及自動(dòng)車加工生產(chǎn)效率提高5～8倍； ⑷、可加工冷成形不能加工的形狀復(fù)雜的產(chǎn)品； ⑸、同類產(chǎn)品熱鐓加工比冷鐓加工所需噸位要少1/3。 1.2、螺母熱鐓機(jī)的缺點(diǎn) ⑴、與冷鐓工藝相比，對(duì)模具的機(jī)械性能要求較高，且壽命低； ⑵、由于材料通過中頻加熱，對(duì)電能的消耗較大，加工環(huán)境較差； ⑶、設(shè)備投資成本較大，外圍輔助設(shè)施復(fù)雜。,,熱鐓機(jī)分為主機(jī)及感應(yīng)加熱兩大部分組成，棒料由棒料冷端上料臺(tái)架的冷料存儲(chǔ)架自動(dòng)進(jìn)入送料機(jī)構(gòu)，通過棒料傳送裝置經(jīng)中頻感應(yīng)加熱爐加熱到設(shè)定溫度進(jìn)入熱鐓機(jī)成型，產(chǎn)品經(jīng)過切料、鐓扁、成形、沖孔等工序完成，設(shè)備采用雙滑塊裝置，將鐓扁與成形、沖孔工序模面分開成90°角，鐓扁后毛坯經(jīng)由具有一定落差的環(huán)行滑道進(jìn)入儲(chǔ)料區(qū)，然后采用夾鉗傳送到成形、沖孔工序，這樣的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，可以最大限度的去處加熱所產(chǎn)生的氧化皮，并防止其進(jìn)入成形模中，避免影響產(chǎn)品質(zhì)量及降低模具壽命。,3.1、成形毛坯熱鍛件圖的設(shè)計(jì),熱鍛件圖以冷鍛件圖為依據(jù)，但又有區(qū)別，考慮到金屬冷縮現(xiàn)象，熱鍛件圖上的尺寸應(yīng)比冷鍛件圖的相應(yīng)尺寸有所增大。理論上加放收縮率后的尺寸按下式計(jì)算： N＝n（1+Z%） 式中 N——熱鍛件尺寸； n——冷鍛件尺寸； Z——終鍛溫度下鍛金屬收縮率，鋼一般為1.2～1.6 加放收縮率時(shí)還應(yīng)主要下列幾點(diǎn)： ①、無坐標(biāo)中心的圓角半徑不放收縮率； ②、薄而寬、細(xì)而長(zhǎng)的尺寸部位，因在熱鐓時(shí)冷卻快，收縮率應(yīng)適當(dāng)減小。,3.2、體積計(jì)算,根據(jù)熱鍛件圖可知，V總＝V1+V2-V3,3.4、中間毛坯尺寸的設(shè)計(jì),中間毛坯尺寸的計(jì)算，依據(jù)塑性變形材料體積不變?cè)瓌t，。 在設(shè)計(jì)毛坯尺寸時(shí)需要特別注意以下幾點(diǎn)： C應(yīng)比B大5～12，經(jīng)鐓扁后以消除切料造成的外徑變形，否則會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量； 必須C/Dd≤1，防止鐓扁坯料經(jīng)滑道時(shí)翻轉(zhuǎn)，造成卡料。 如以上條件不滿足時(shí)，須調(diào)整材料直徑規(guī)格。,4、熱鍛溫度的選擇,鋼在加熱的過程終須防止過熱及過燒現(xiàn)象的發(fā)生，通過長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐和大量的試驗(yàn)研究，現(xiàn)有鋼種的鍛造范圍均已確定，可從有關(guān)手冊(cè)查得。 。,5、模具設(shè)計(jì),相對(duì)于冷鐓而言，熱鐓模具的使用環(huán)境要惡劣的多，其需承受反復(fù)沖擊載荷和冷熱交變作用，因熱應(yīng)力而容易導(dǎo)致疲勞破裂；模腔表面受到高溫金屬流動(dòng)的作用而產(chǎn)生摩擦效應(yīng)，尤其是坯料表面的氧化皮未清除干凈的情況，摩擦作用更加強(qiáng)烈，加速模腔表面的磨損，出現(xiàn)剝落現(xiàn)象。 熱鐓時(shí)，成形模受熱毛坯的影響，如果模腔表面溫度上升至400℃以上，將發(fā)生高溫回火現(xiàn)象，容易被壓塌和磨損。所以，在熱鐓時(shí)必須作適當(dāng)?shù)睦鋮s。除設(shè)備上已具有的冷卻管道外，在設(shè)計(jì)模具時(shí)，也必須考慮冷卻水孔的設(shè)計(jì)。,成形尺寸先從理論上依據(jù)計(jì)算出的熱鍛件圖，然后再經(jīng)過生產(chǎn)實(shí)踐重新確定、修復(fù)模具的成形尺寸，以保證產(chǎn)品精度。 上模采用組合方式，在生產(chǎn)過程中，上沖頭的由于受力及與坯料接觸等影響，其損壞較上沖?？欤捎么朔N設(shè)計(jì)方式，即可簡(jiǎn)化模具加工難易程度，消除過度處的應(yīng)力集中，同時(shí)方便上沖頭的更換，降低模具綜合成本。 成形凹模結(jié)構(gòu)同冷鐓模類似，其設(shè)計(jì)原則也大致相同，為防止應(yīng)力集中而產(chǎn)生開裂，成形模采用縱向剖分結(jié)構(gòu)。成形模采用單層套預(yù)緊，其過盈量較冷鐓模小，因在成形時(shí)，成形模與模套存在溫度梯度，其線性膨脹量會(huì)使實(shí)際過盈加大，同時(shí)在接觸表面產(chǎn)生熱膠著，當(dāng)成形模退出后，兩者表面拉傷嚴(yán)重，造成模套報(bào)廢。為防止成形時(shí)，模腔內(nèi)空氣無法排除，在成形模的六方與圓柱結(jié)合處設(shè)計(jì)氣孔，此氣孔不可太大，避免材料流入而堵住，一般設(shè)計(jì)為0.6MM。 模腔內(nèi)的冷卻主要依靠成形下沖來完成，在成形下沖設(shè)計(jì)冷卻孔，此冷卻孔的位置要使冷卻水最大限度地均勻噴射到模腔表面。,