多噸位冷縮徑擠壓與半閉式粗聯(lián)合精鍛工藝及模具設(shè)計

多噸位冷縮徑擠壓與半閉式粗聯(lián)合精鍛工藝及模具設(shè)計

軸類件廣泛應(yīng)用于各種傾斜和減速設(shè)備中的車輛、拖車和后門。它有各種各樣的類型，需要很大的改進。其中,以汽車四大關(guān)鍵部件之一的變速器中所需的軸類件最為集中,一般每個變速器中有輸入軸、輸出軸、中間軸、主動軸、從動軸、渦輪軸、末端驅(qū)動傘齒輪軸等,平均5~7根,最多為8根。2013年,估計我國汽車產(chǎn)量將超過2000萬輛,需配套軸類件12500萬根以上。此外,國外汽車零部件采購商不斷擴大在我國的采購量,因此,所需品種和數(shù)量將更多。國外用戶要求變速器軸類件必須是冷擠壓件,以圖1所示輸入軸和輸出軸為例,圖上的尺寸精度要求與我國鋼質(zhì)冷擠壓件技術(shù)標準中的普通級是一致的,但國外訂單還要求擠壓件的軸向彎曲度偏差≤0.30mm,這就超越了我國相應(yīng)的技術(shù)標準。近來,國外用戶又將其尺寸精度提高到我國技術(shù)標準中的精密鍛,這就更必須采用以冷擠壓變形方式為主的多工位冷精鍛工藝才能滿足要求,國內(nèi)也正在向這一發(fā)展趨勢靠攏。因此,有必要對軸類件多工位冷精鍛工藝及模具進行研究。1法蘭的表面尺寸圖1所示為絕大多數(shù)變速器都具有的輸入軸和輸出軸精密鍛件圖,圖1a的法蘭位于軸的中部,法蘭兩端為直徑逐漸縮小的階梯軸;圖1b的法蘭位于軸的頭部,頭部以下為直徑逐漸縮小的階梯軸。各種變速器的輸入軸和輸出軸形狀相似,僅尺寸不同。2冷工藝和多場景優(yōu)化方法2.1軸類零件的縮徑擠壓由圖1所示兩種軸類件的結(jié)構(gòu)特點可以判斷,對于帶有法蘭的階梯軸,應(yīng)采用多工位冷縮徑擠壓和半閉式鐓粗聯(lián)合精鍛成形工藝方案。因階梯軸相鄰段的直徑相差不大,宜采用其直徑由大到小逐一進行縮徑擠壓的方法來成形。對于圖1a所示輸入軸,方案一為采用先將一頭逐一縮徑擠壓,然后將另一頭逐一縮徑擠壓;方案二為對直徑相同或相近的軸段采用雙向擠壓即對向逐一縮徑擠壓,顯然,方案二的生產(chǎn)效率可提高1倍,其同軸度偏差也容易保證。無論法蘭在軸的中部還是頭部,其鐓粗工位一般安排在縮徑壓工位之后或偏后。2.2確定粗工步數(shù)根據(jù)軸類件的結(jié)構(gòu)特點,其多工位工藝優(yōu)化的思路及方法如下。(1)確定坯料的尺寸。根據(jù)軸類件材料允許的一次縮徑擠壓變形程度[εA]與一次允許的鐓鍛比即鐓粗規(guī)則[εH]的協(xié)調(diào)關(guān)系及鍛件體積不變原則,確定坯料的直徑d0與長度l0,其中,一次允許縮徑擠壓變形程度[εA]=(A0-A1)/A0=(d02-d12)/d02×100%,A0、d0與A1、d1分別為縮徑擠前與縮徑擠壓后的橫截面積及直徑;鐓粗規(guī)則[εH]=h/d≤2.2,h、d為被鐓粗部分的高度和直徑,通常在實際生產(chǎn)中,尤其是成形速度較快的條件下,取h/d≤2.2。(2)確定縮徑擠壓的工步數(shù)。當凹模錐角25°≤α≤30°時,桿部一次允許的縮徑擠壓變形程度[εA]≤30%~32%,由此可得經(jīng)退火和磷化處理后的毛坯,其縮徑擠壓后的桿徑dn與縮徑擠壓前的桿徑dn-1的關(guān)系為dn≤0.81dn-1,進而得到縮徑擠壓的工步數(shù)nex=log0.81(dmax/dmin),其中dmax和dmin分別為各階梯軸的最大直徑和最小直徑。(3)確定鐓粗工步數(shù)。鐓粗的工步數(shù)nup=l/(a[εH])=l/(2.2a),其中,l和d為被鐓粗部分的桿長與直徑。(4)確定總的工步數(shù)。總的工步數(shù)等于縮徑擠壓工步數(shù)nex與鐓粗工步數(shù)nup之和,即n=nex+nup,當計算確定的工步數(shù)大于設(shè)備允許的工位數(shù)時,其解決的方法是,將階梯軸上相鄰軸段直徑差別最小的軸徑向直徑較大的一段合并為一體,即通過簡化一個階梯來減少縮徑擠壓的工步數(shù),進而達到減少總的工步數(shù)的目的。(5)設(shè)計工步圖。根據(jù)以上的計算結(jié)果,設(shè)計包括由坯料到最終精密鍛件的工步圖。圖2所示為由上述方法計算并設(shè)計的輸入軸(圖1a)五工位冷精鍛工步圖,第5工步圖即為精密鍛件圖。由圖可知,第1、第2和第5這3個縮徑擠壓工步均設(shè)計成對向縮徑擠壓的方式。3模具設(shè)計原則軸類件多工位冷精鍛模具包括多工位縮徑擠壓與半閉式鐓粗模具,縮徑擠壓凹模設(shè)計已有較多文獻可供參考,本文著重研究結(jié)構(gòu)設(shè)計,其結(jié)構(gòu)可設(shè)計成兩種形式,一種是設(shè)計成單工位結(jié)構(gòu),即將每一個工步設(shè)計成由模芯和模座組成的相互獨立的模具,以適應(yīng)單機或單機連線的生產(chǎn)要求;另一種是設(shè)計成由整體通用模與各工步對應(yīng)的模具單元所組成。前一種模具為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu),在此不再贅述,下面著重論述為滿足軸類件多工位自動化冷精鍛生產(chǎn)要求的第2種模具結(jié)構(gòu)即多工位冷精鍛模具的設(shè)計原則。(1)所有單元模具的分模面應(yīng)處于同一水平面,以便于步進梁的平移送進運動;(2)相鄰單元模具的中心線之間的距離相等,且偏差≤0.1mm,以確保工件的送進定位精度;(3)下凹模模膛深度應(yīng)大于上凹模模膛深度,以確保工件定位的穩(wěn)定性;(4)模具閉合高度應(yīng)按工步圖中最長工件的長度來確定;(5)所有單元模具的圓筒形模套,其形狀和尺寸相同,模膛形狀和尺寸根據(jù)相應(yīng)的工步圖設(shè)計;(6)鑲塊凹模材料宜采用硬質(zhì)合金,凹模型腔表面粗糙度不低于Ra0.2μm;凹模徑向尺寸精度、同軸度精度及長度方向的彎曲度精度均應(yīng)比擠壓工件的相應(yīng)精度高出1~2級。由上述原則并根據(jù)圖2所示五工位冷精鍛工步圖設(shè)計的輸入軸五工位冷精鍛模具結(jié)構(gòu)及實際模具照片如圖3所示。4工藝試驗4.1試驗?zāi)＞哐b配式輸入軸材料為20GMo鋼,按照圖2a所示尺寸下料,坯料球化退火至硬度≤140~150HBS,清理氧化皮后進行磷化處理。試驗設(shè)備為Y28-400/406雙動擠壓液壓機,試驗?zāi)＞甙辞笆龅?種結(jié)構(gòu)設(shè)計,即設(shè)計成由圓筒形通用模座和5套預(yù)應(yīng)力組合式縮徑擠壓及半閉式鐓鍛模芯,即可分別裝配成5個模具單元,單個模具單元如圖4a所示。試驗時,按圖2所示的工步順序,首先進行第1工步試驗,完成試驗后將第1工步的模芯更換成第2工步的模芯,進行第2工步的試驗,逐一進行直到完成第5工步的試驗,坯料及對應(yīng)工件如圖4b所示。4.2試驗結(jié)果分析在所研制的YK34J-1600五工位精鍛液壓機與圖3所示五工位精鍛模具上,進行了輸入軸五工位連續(xù)操作試驗,所試驗出的輸入軸精密鍛件如圖5所示。兩種試驗方法得到的輸入軸精密鍛件均達到了圖1a所示的尺寸精度要求,但多工位連續(xù)操作較單工位間斷操作所得到精密鍛件表面質(zhì)量更好,這是因為單工位試驗時更換與調(diào)試模具時間長,工件表面磷層老化影響了潤滑效果;此外,連續(xù)操作效率大為提高,更接近自動化生產(chǎn)實際。工藝試驗結(jié)果與采用剛塑性有限元法及Defdym-2D軟件模擬結(jié)果(從略)非常吻合,兩種方法試驗時金屬變形順利,所得各工步試件質(zhì)量好,表明所研究出的多工位精鍛工藝及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計達到了優(yōu)化效果。5優(yōu)化設(shè)計方法(1)所研究的