连接套加工工艺的研究

刘新平,王建立

（1.山东交通职业学院,山东 潍坊 261206; 2.山东科技职业学院,山东 潍坊 261053）

0 引言

轴套是机械产品中重要且常用的一种零件，如图1所示是某产品重要连接套。选用材料2A12，年产量为6万件，属于批量生产。

图1 轴套

1 加工工艺分析

1.1 机械加工

该轴套属于回转类零件，若采用圆钢做毛坯，车削加工成型的生产方式，由于钻孔、车内外圆等工序较多，降低了生产效率，提高了成本，而该零件批量较大，显然不能满足生产要求。

1.2 冷挤压成型加工

采用冷挤压成型工艺加工该零件。该方法具有生产效率高，零件的生产成本低，但是毛坯材料2A12的韧性、塑性性能较低，若常温下采用冷挤压成型加工，易导致裂纹产生，出现废品。

1.3 热挤压成型加工

热挤压成型加工不但具有生产效率高，零件的生产成本低，而且该材料在高温时塑性较好，不容易产生裂纹，能满足产品图纸要求。

1.3.1 反挤压成型

如图2所示，反挤压成型工序图。

图2 反挤压成型工序图

分析反挤压工艺成型方法，该方法尽管可以一次热挤压成形该零件毛坯，但挤压凸模的工作部分过长，达到挤压凸模直径的5.45倍，对挤压凸模的稳定性不利，很容易产生弯曲而引起折断，由于材料在高温时塑性较好，挤压力较小，选用合适的模具材料，能够避免挤压凸模产生弯曲而引起折断。同时挤压余块通过冲孔去除掉，采用冲孔加工生产效率较高。

1.3.2 复合挤压成型

如图3所示，复合挤压成型工序图。

图3 复合挤压成型工序图

复合挤压成型可以一次热挤压成形该零件，改变挤压凸模过长的缺陷，提高挤压凸模的使用寿命，且适合单动压力机上生产，但中间的挤压余块无法用冲孔去除掉，只能采用钻削加工去除掉，且生产效率低，不容易保证产品的尺寸精度要求。

1.3.3 反挤压制坯，然后进行变薄拉深

反挤压制坯，然后进行变薄拉深工序，如图4所示。

图4 工序图

采用反挤压制坯，然后进行变薄拉深工序，尽管可以提高模具的使用寿命，但辅助工序多，需用设备多，生产效率低，零件的生产成本较高。

通过以上分析，决定采用反挤压成形工艺加工连接套。

2 热挤压工艺设计

2.1 热挤压毛坯设计

在压力机上，用实心坯料挤压成空心透孔的挤压毛坯，是极其困难的，甚至是不可能的，只能挤压成不透的杯形零件，而留下一定厚度的挤压余块。连接套热挤压毛坯的设计，关键是确定挤压余块的厚度。挤压余块过厚，会使下一道冲孔工序冲孔力过大，热挤压毛坯产生变形，不仅影响热挤压毛坯的质量，同时会降低材料利用率；挤压余块过薄，不仅使金属流动困难，而且使挤压力显著提高，挤压凸模容易产生弯曲而引起折断。

挤压余块厚度的确定，通常根据经验公式进行计算[2]：

式中：h—挤压余块的厚度（mm）；d—热挤压凸模的工作直径（mm）。

大直径用较小的系数，小直径用较大的系数。

图5 毛坯热挤压成型图

2.2 计算毛坯重量

综合考虑金属材料在加工过程中的损失，根据图纸尺寸，利用下面公式计算毛坯重量。

其中：

MM—毛坯重量；MZ—零件重量，MZ=240 g；S—金属材料总损失率。

资料查阅[3]，K=2.8%。

2.3 确定毛坯尺寸

根据零件加工尺寸要求，选取毛坯为直径φ40圆钢。

毛坯长度尺寸：

2.4 计算热挤压变形程度

一般用断面缩减率来表示热挤压的变形程度。

计算断面缩减率公式[1]为：

其中：

ψ—热挤压的断面缩减率（%）；1A—热挤压后工件的横截面积（mm2）；A0—热挤压前毛坯的横截面积（mm2）。

根据挤压内孔及毛坯直径尺寸，热挤压成型断面缩减率是：

计算可知：材料2A12反挤压许用变形程度[4][ψ]=76%～89%，通过以上计算，热挤压的变形程度不超过材料许用变形程度。因此，采用一次热挤压成型是可以满足要求的。

2.5 计算挤压力

按照下式计算挤压力[4]：

式中：

P—总挤压力；F—凸模工作部分面积；k—挤压变形程度修正因数；查资料[4]7-3表k=4.0；Z—模具形状影响因数；查资料[4]7-25表Z=0.9；σb—抗拉强度，查表σb=146 ～ 210 MPa。

所以选用1 000 kN油压机。

2.6 生产过程

零件的生产工艺过程：下料—退火处理—表面涂润滑剂—毛坯整形—热挤压成型—冲底加工。

2.7 选择挤压工艺参数

2.7.1 加热方式及温度选择

若使用箱式电炉加热，温度设定在410℃～460℃，控制保温时间42～55 min，基本可以满足冲压要求，但75 kW箱式电炉非常耗电，且工人工作条件差，不便于操作，生产效率低。

为了提高生产效率，满足批量生产的需求，采用网带式加热炉，该炉便于操作，可提前送电加热，一般将炉温控制在465℃，按15 s/件的速度送料。但需要注意的是，2A12材料加热温度到506℃就发生过烧，所以要严格控制炉温的高低及波动。

同时，若需要换模等原因，要停止挤压工作时，网带式连续加热炉必须及时停电，为防止工件过烧，要将工件从炉内全部送出。

2.7.2 预热模具温度

模具进行挤压工作前，需要预热，一般预热温度控制在300℃～320℃。

2.7.3 控制热挤压速度

2A12材料温度超过506℃时，将产生过烧现象，而毛坯温度主要受自身加热温度以及变形能产生的热两方面影响。实践证明，热挤压速度越大，毛坯变形越快，温度升高就越明显。所以，热挤压速度必须严格控制。轴套热挤压速度一般不超过10 mm/s。

3 模具结构设计

一般按常规方法和标准设计剪切下料模和冲底模，而整形模和热挤压模是重点设计的内容。

3.1 整形模

毛坯剪切后，一般端面倾斜且粗糙，存在不同程度的偏心和变形，若直接用它进行挤压，易使凸模受侧向作用力而折断。因此，必须使模腔和坯料精确配合定位，以便使壁厚差减小并获得较高的尺寸精度。一般毛坯重量约

240～250 g。毛坯整形时同时压出导引孔，主要有三个作用：

（1）导引孔可以使挤孔冲头对准中心，且改善和调整挤压凸模的平面支撑，减小冲击载荷的影响；

（2）导引孔可以储存润滑油，保证在挤压过程中不断补充润滑剂至相对滑动表面，以免造成挤压凸模与毛坯金属之间的粘附；

（3）压导引孔的过程，可使毛坯成形一部分所需形状。如图6所示：整形模具示意图。

图6 整形模

3.2 热挤压模

热挤压前，毛坯导引孔一定要正，因为挤压凸模直径只有14.5 mm，且其长径比大于3：1，属于细长轴，如果方向不正，挤孔时，挤压凸模易受侧向力而折断，或者将挤孔挤偏，不能保证热挤压毛坯壁厚差不超过0.15 mm，挤孔模如图7所示。

图7 热挤压模

3.2.1 设计凸模工艺

在热挤压模具结构中，受力最大的零件是凸模[5]，要承受冲击压缩应力和弯曲应力的双重作用，凸模设计是否合理将直接影响模具的使用性能。

在挤压过程中，对热挤压成形影响最大的是凸模工作部分的尺寸和形状。设计合理的尺寸和形状，能改善金属的流动和摩擦、降低挤压力，并能提高凸模的使用寿命。如图8所示凸模设计零件图。

图8 凸模

3.2.2 选择凸模材料及热处理方式

由于凸模在高温环境中使用，为了避免金属之间的粘接，凸模材料一般选用热模具钢3Cr2W8V，整体调质处理30～35 HRC，工作表面氮化处理63～68 HRC,加工表面粗糙度0.1以下。

4 生产中出现的问题及解决措施

4.1 凸模折断

凸模折断几乎占全部损坏凸模的70%～80%，折断部位大都发生在台阶过渡处。

4.1.1 原因分析

（1）毛坯导引孔偏，凸模工作部分未进入毛坯的导引孔，当凸模与毛坯接触时，产生侧向推力，在弯矩作用下，很容易在过渡处产生折断现象；

（2）毛坯与凹模间隙大或凸模与凹模不同心时，会造成毛坯壁厚不均匀，过大的壁厚差会使凸模受偏心负荷，以致凸模折断；

（3）凸模过渡处圆角半径太小或过渡不圆滑，明显的接刀痕迹很易因应力集中而折断。

4.1.2 解决措施

（1）在毛坯整形时，正确安装和调整模具，保证毛坯导引孔与外圆柱面同心；

（2）控制毛坯与凹模之间的间隙在0.1 mm以内，加工时，保证凹模孔中心线与端面垂直度要求；

（3）增大凸模过渡处圆角半径，消除接刀痕迹，使其圆滑过渡。

4.2 壁厚超差分析

凹凸模同心且凹模与毛坯间隙在合理范围内，在热挤压过程中出现毛坯零件壁厚超差的现象。

4.2.1 原因分析

（1）坯料加热不均匀，凸模圆周上受力不均匀，导致凸凹模间隙不一致；

（2）凸模韧性较低，凸模受挤压产生侧向弯曲；

（3）凸模工作部分高度不均匀。

4.2.2 解决措施

（1）均匀加热坯料，缩小温差；

（2）将凸模材料由热作模具钢3Cr2W8V改为高强韧型冷作模具钢6W6Mo5Cr4V，热处理HRC60～64。材料碳化物偏析为三级；

（3）凸模工作部分保证形状和尺寸精度。

5 结束语

连接套批量生产时，为了提高生产效率，一般采用热挤压工艺生产，不仅节约了材料，还大大减少了机械加工带来的生产成本，具有非常好的经济和社会效益。