【DOC】冷精锻新技术在我国的应用与发展

【DOC】冷精锻新技术在我国的应用与发展 冷精锻新技术在我国的应用与发展 T专 opi 题 cR 综 evi 述 ew |雾器参篷f l_;潮 曩i 冷精锻新技术 在我国的应用与发 山东红旗机电有限公司(潍坊261031) 冷精锻技术基本概况 1.冷精锻技术的定义 我国加工行业,将正挤压,反挤压,复合冷 挤压称为冷挤压,将镦粗加工称为冷镦.国际上 将冷挤压和冷镦统称为冷锻.将钢材在室温以上 到800?的温锻和温挤压加工称为温锻.由于冷 锻和温锻的变形机理完全相同,只是加工温度不 同,所以又把冷锻和温锻统称为精密锻造. 但从金属学及体积成形角度看,冷精锻的广 义概念应为:金属材料在室温下的精密塑性成 形.也应包括具有局部渐次成形特征的回转锻造 (摆动辗压,滚轧,径向锻造等). 2.冷精锻技术的特点 (1)材料利用率高. (2)生产效率高. (3)可加工形状复杂的零件. (4)产品尺寸一致性好,精度高. 表面粗糙度值=1.6,0.21TI,尺寸精度IT8 , IT11,齿形精度7,9级(花键精度5,6级), 即可达到车削,铣削,滚齿及插齿水平. (5)零件强度高,寿命长. 由于晶粒细化及金属流线的合理分布,使零 件性能明显提高(动,静强度提高20%,30%). 3.适用范围 适合大批量的,用切削工艺难加工或不能 加工的金属结构件(不含 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 件,紧固件及型 材).锻件重量通常为100,1000g,特别适合干 20参磊冷加工 汽车,摩托车上的传动零件的精密塑性成形. 4.冷精锻相关技术 (1)原材料适合塑性好强度低的金属材 料,以低合金结构钢为主(20Cr,20CrM0, 20CrMnTi)以及铝,铜及其合金. (2)坯料润滑黑色金属冷精锻坯料的润 滑仍延用磷皂化处理,尽管国内外不断尝试其他 处理方法,但目前尚未有更好的方法取而代之. 高分子润滑剂用于黑色金属坯料的表面处理有较 好的润滑效果,处理过程简单,但主要成分为石 墨,对精锻及后续加工场地污染较大,适合开发 试制产品时使用. 有色金属冷精锻坯料的润滑依不同材料而 异,且同种材料可选择多种润滑方法,如用动, 植物油润滑,精锻件应及时清洗,否则很快变质 形成污染. 5.技术标准 我国冷精锻行业尚未建立起全面系统的相关 技术标准,如原材料技术条件,冷精锻件技术条 件等.原有的技术标准如:钢质冷挤压件通用 技术条件(ZB32005—1989),后又报批了 一 个摩托车花键轴冷挤压件技术条件,不能 满足冷精锻行业的发展需要.目前国内很多部件 厂仍将冷精锻件按普通热锻件的技术条件进行验 收,规定制件金相组织及硬度为正火状态,这显 然不合理.而欧美及日本等发达国家相关技术标 准相当完善.国际冷锻组织(ICFG)也发布了许 多行业技术文件和标准.可喜的是我国正在开展 (《精密锻造工艺技术规范与标准体系研究课题, 这必将对我国精锻行业产生重要影响. 冷精锻技术的发展沿革 1.冷精锻技术应用前景 发达国家每辆轿车上的冷精锻件已超过50kg, 70多个品种,包括十字轴,花键轴,圆柱齿轮, 伞齿轮,等速传动轴,内星轮,钟形壳,三叉轴, 内花键齿套,同步齿环等零件(不含标准件和紧固 件).而我国每辆轿车上的冷精锻件只有约20kg, 相对于每年近2000万辆的汽车产量,巨大的市场 刚性需求决定了我国的冷精锻产品无论是品种上还 是数量上都具有广阔的发展空间.图1是日本轿车 精锻件的每车用量和投产年份. 年份 50 .D 40 罂302O 增1O 0 脚 蛊 辎 蘼 廿 Jl挣 『\ 件加工成品件 心E》 {}碧哥弓 芒!} 黾矗睢三,l国 固窜 礁 囱悃|日#I仁]9囱 臼— 图1日本轿车精锻件的每车用量和投产年份 2.冷精锻技术在我国的发展历程 冷精锻技术在我国规模化生产应用大致经历了 三次发展历程: (1)第一次发展在20世纪60,70年代以上 海交大为主,将冷精锻技术首次在我国 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 化应用 (主要为冷挤压),生产缝纫机,自行车,手表等 零件及少量汽车零件.我国最早批量化生产的汽车 冷锻件为发动机的活塞销,球头销及球座等,形状 较简单(横截面为圆形).冷锻工艺技术水平与国 外先进水平差距很大.该时期我国的现代汽车产业 尚未起步,但为ca行车大国,已能用冷锻工艺批量 生产自行车花盘,中轴,固定碗,调节碗等零件. (2)第二次发展在20世纪80,90年代以兵 器工业第五九研究所(原六二所),大丰自行车飞 轮厂(现江苏森威精锻有限公司),重庆华江机械 ,|专 opi 翘 cR 练 evie 述 w 厂等单位为主,应用挤压,摆辗,滚轧,精冲等 精密塑性成形工艺规模化生产摩托车,汽车齿类 零件.该时期是我国摩托车产业高速发展时期, 产量很快超过千万辆,零部件的国产化要求,促 成了相关冷精锻产品的大批量生产,最典型的冷 精锻件为变速器中的主副轴及组合齿轮,反冲启 动器中的端面齿棘轮及启动轴.这几种齿类冷精 锻件应该是目前国内生产数量最大的冷锻产品 (3)第三次发展在20世纪90年代末至今, 我国现代汽车产业迅猛发展,产量猛增,促进了 零部件企业工艺技术及工艺装备的同步提升,国 内数家知名的精锻企业以江,浙,沪数家精锻公 司(如江苏太平洋精锻科技有限公司,江苏飞船 股份有限公司,江苏森威精锻有限公司,上海耐 铁福传动轴有限公司)为主,大量引进国外先 进装备及生产线,应用闭塞锻造,分流锻造, 热(温)精锻+冷精整组合成形,流动控制成形 (FCF)等先进工艺规模化生产汽车用复杂形状零 件,如钟形壳,三销套,三又轴,十字轴,内星 轮,同步齿环等,使目前我国的精锻技术水平已 接近或部分达到国外先进水平. 3.冷精锻产品 目前我国已工程化大批量生产的冷锻产品主 要为车辆上的传动件,年产量上100万件的产品大 致如附表所示. 我国工程化大批量生产的冷锻产品一览表 大批量生产2008生产品名称应用行业及所属部件 时间/年产量/万件 花键轴摩托车变速器19944000 组合齿轮摩托车变速器1994l000 端面齿,棘轮摩托车反冲启动器19863000 启动轴摩托车反冲启动器19861500 单向器本体摩托车电启动器19941000 三叉轴汽车发动机19725o0 球头销,球座汽车发动机l976500 单向器本体及齿轮汽车,拖拉机启动器1980l000 异形活塞汽车制动器l995500 钟形壳汽车等速万向节2002500 三销套汽车等速万向节2OO2500 三叉轴,十字轴汽车等速万向节20O25o0 内星轮汽车等速万向节20025OH0 直齿锥齿轮汽车差速器2002500 直齿圆柱齿轮汽车变速箱2002200 同步齿环及结合齿汽车变速箱2002500 参磊冷加工笼21 T专 opi 趣 cR 编 evi 述 ew 0 4.冷精锻生产 冷精锻技术用于生产以来,形成了三种生产模 式. (1)第一阶段称为分序冷精锻用多台压机, 多副模具进行多次成形,常需中间退火及润滑.这 种模式工序长,使用设备多,占地面积大.现仍为 国内普遍存在的模式.但该模式灵活性及适应能力 强,适合中,小批量生产. (2)第二阶段称为多工位冷精锻将分序冷精 锻成形时在多台压机上的模具集中到一台压机上, 工位之间用机械手传递.这样一个冲程就能加工出 一 个零件.这就大大提高了效率,减少了设备台数 和占地面积.工序间不用退火处理.润滑靠喷挤压 油来解决.但一次性设备投资大,现国内少数企业 采用,适合大批量或超大批量生产. (3)第三阶段称为单工位多动作冷精锻用一 台压机,一副模具,在一个工位上,一次冲程中产 生多个动作,将复杂制件一次精锻成形.如闭塞锻 造(复动化锻造),多轴挤压机成形等,使综合效 益明显提高.现国内少数企业采用.像极爪这样复 杂的制件,原要经3,4次成形,而用该技术可一次 成形. 冷精锻技术应用案例 本文以汽车花键轴冷挤压为例,介绍冷精锻技 术的应用情况. 随着汽车工业,摩托车工业及其他加工制造业 的发展,对花键轴的需求量越来越大. 现在,国内大部分企业对花键轴的加工采用滚 齿加工(对渐开线齿形花键)或铣削加工(对矩形 花键).常规机械加工生产花键轴,具有材料利用 率低,生产效率低,生产成本高等问题,同时,由 于金属流线被切断,花键轴使用寿命低.因此,不 能满足大批量生产的要求. 1.冷挤压花键的工艺 冷挤压花键是一种少无切削加工,它不仅具有 生产效率高,材料利用率高,花键承载能力强,成 本低的等特点,而且能保持花键内部金属流线连 续,晶粒得到不同程度的破碎和拉长在后续热处理 过程中,晶粒得到进一步细化,从而提高了零件的 22参磊籼工ZZ. ,_『而工冷[ 综合机械性能,冷挤压花键所用设备为普通油压 机,价格便宜.齿形精度由凹模决定,模具寿命较 高,高速钢模芯的凹模寿命可以达到1万件以上, 硬质合金模芯的凹模寿命可以达到几十万件,所 以,产品质量比较稳定.冷挤压花键适用范围广, 只要冷挤压花键的力不会造成杆部的弯曲和镦粗轴 类零件,都可以冷挤压花键.有时可以在油压机的 一 次行程过程中同时冷挤压轴上两处花键.若花键 轴上有三段花键,应先挤压两端的花键,再挤压中 间的花键. (1)花键 齿形种类花 键齿形有渐开 线,圆弧形, 燕尾形,六方 形,矩形,三 角形等,如图 2所示. (a)圆弧 八 { (c)燕后 厂\ { 厂 (d)六方(e)渐开线(f)矩形 图2花键齿形种类 (2)花键轴的结构花键轴一般有一段,二 段及三段花键,如图3所示. 图3花键轴的结构 (3)挤压方式挤压方式有开式,闭式及半开 式三种形式,如图4所示. 震(a)开式(b)闭式(c)半闭式 图4花键轴的挤压方式 2.花键轴冷挤压模具结构 某一两端带花键的花键轴冷挤压模,如图5所 示. (1)冷挤压花键凹模设计冷挤压花键凹模 的设计主要包括凹模的齿形设计,挤压引导段设 计,挤压过渡段设计,工作部分宽度设计,顶出 回程段设计. 0—0 图5花键轴冷挤压模 1.上 模板 个人简介word模板免费下载关于员工迟到处罚通告模板康奈尔office模板下载康奈尔 笔记本 模板 下载软件方案模板免费下载 2.上垫板3.上固定套 4.上凹模5.上压板6.导正套 7.下压板8.下凹模9.下垫板 l0.下固定套11.下支承垫 l2.顶件器13.下模板14l顶杆 冷挤压花键凹模 的齿形设计:冷挤压 花键凹模的齿形设 计,要求能够按规定 的齿厚和齿高冷挤出 符合要求的工件齿 形,所以凹模齿数和 齿高和工件相同;考 虑到工件的热胀冷缩 以及模具和挤压工件 的弹性回复. 采用正挤压加工 时,模具成形部分的 形状如图6所示. 齿形成形平行喉部可用电火花加工制成,变形 开始需作成圆角,喉 部须做成连接圆角的 过渡线,圆角半径一 般为2,3ram. 齿形凹模的挤压 引导段设计:在花键 轴开式冷挤压过程中, 图6模具成形部分的形状 坯料进入模具成形区域时, 由于局部变形程度较大,坯料塑性变形区域向上扩 展到工作段以外的一段区域,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.齿形凹 模的挤压引导段设计,就是确定挤压引导段的高度 H,一般肚2.5,3.5ram 齿形凹模的挤压过渡段设计:齿形凹模的挤压 过渡段设计主要是选取合适的斜度,斜度太大,虽 然金属流动的 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 短,摩擦力较低,但在挤压过程 中的径向压力分量较大,使挤压成形所需的轴向压 力分量减小,这样既会增大挤压力,又使金属轴向 流动比较困难,从而造成挤压毛坯堤镦粗,使花键 挤压成形难以继续进行.斜度过小,金属流动路程 较长,摩擦力较大,也会造成挤压过程中金属流动 困难.一般取=22.5.,30.. 对于(D—d)/b<l矩形花键轴,以采用=20. , 30.为好. 式中,D是花键大径(mm);d是花键小径 (mm);6是花键长度(mm). T专 opi 题 cR 编 evie 述 w 当(D—d)/b>1时,矩形花键轴(同样适用 渐开线花键轴)时,则采用=30.,40.为宜. 模具工作部分宽度设计:模具工作部分宽度 如图3所示.模具工作部分宽度日对挤压后花键零 件的表面质量有一定影响.模具工作部分宽度 长,金属流动的摩擦力大大增加,金属流动困难, 从而影响冷挤压花键的正常进行.而模具工作部分 宽度日过短,虽然金属流动容易,挤压力也很小, 但是挤压成型的花键零件容易扭曲变形.模具工作 部分宽度嗣按下式确定 H:(0I3,0.4)d 式中,日是模具工作部分宽度(mm);d是花键小 径直径(mm). 由上式确定的模具工作部分宽度日,既可保证 花键轴的直线度,又可使挤压力最小. 齿形凹模的顶出回程段设计:齿形凹模的顶出 回程段设计与挤压过渡段类似.主要是选取合适的 斜度.斜度太大,虽然金属流动的流程短,摩擦力 较低,容易挤压成形,但在顶出回程过程中由于导 程段较小,容易造成挤压件的镦粗,使挤压件难以 顶出.斜度过小,顶出的导向段较长,挤压件容易 顶出,但由于在挤压过程中金属的流动路程长,摩 擦力很大,使挤压过程难于正常进行.一般凹模的 顶出回程段斜度为30.,45.. (2)冷挤压花键凹模结构设计一般模具外径 为内径的4,5倍以上的强度,即可满足要求(当模 具材料硬度在40HRC以上时).如果采用一层或两 层镶套,用压配合压入,则可使模具的许用应力相 应提高. 镶套直径:镶一层套时,可按公式R (RR)1/2求得.如 图7所示. 镶两层套时,可按 R=l=1.6R2;R4=1.62= 2.56R2;Rl=1.63R2: 4.1R2.如图8所示. 模套:模套的组 合按1.,3.锥面 压入带入口直径的 套,可采用热压合 过盈时,一般为模套 图7单层模套 “j 图8两层模套 参磊冷加工23 2345989n 直径的0.3%,0.5%,热压合时所需温度为300, 400?,模套与模芯的接触面积应大干75%.模套 材料一般采用热作模具钢如5CrMnMo,5CrNiMo 等. 3.齿形凹模制造工艺 (1)模具材料(模芯材料)高负荷,复杂应 力,高精度及高寿命的苛刻要求决定了模芯材料必 须具备高强度,高韧性和高耐磨性,传统的高合 金工具钢(Crl2MoV)已难满足复杂形状模芯的 使用要求,目前国内已普遍使用高速工具钢,基体 钢,硬质合金及钢结合金. 高速工具钢及基体钢:W18Cr4V, W6M05Cr4V2,6W6Mo5Cr4V及012AI,65Nb, H13等.这些原本适用于热锻模的高性能模具钢, 具有高强度及韧性,高硬度及耐磨性,特别是回 火温度高(500,600?),可抵抗冷锻发热(< 300?)产生的不可逆软化,更适合于进一步提高 模具寿命的表面强化技术,如气体软氮化,离子氮 化及TiC气相沉积等. 硬质合金及钢结硬质合金合金:硬质合金因其 高硬度及高耐磨性,特别适合冷锻工艺大批量及超 大批量的生产特性,但由于易脆裂,主要用于制作 形状相对简单的轴对称小型制件的凹模芯,且必须 加模套抵消工作时凹模内壁产生的切向拉应力.钢 结硬质合金的韧性明显提高,加工流程与工具钢相 同,硬度仍可达HRC78,更适用于制作形状相对 复杂的凹模.常用的硬质合金及钢结硬质合金合金 有YG15,YG20,YG25及GT35,YE65,GJW50 等.硬质合金凹模型腔需要电火花及线切割加工, 内外定位圆面也需专门的磨削工具,但不能采用高 速数控铣加工. (2)凹模坯料的加工工艺路线凹模坯料是指 线切割内齿以前的凹模.其加工工艺如下:下料一 十字改锻一球化退火一粗车加工一淬火,回火一磨 削加工一压入预应力圈. (3)凹模内齿形的加工凹模内齿形的加工目 前有两种:?线切割机床加工凹模内齿形.线切割 时齿表面留0.Olmm左右的研磨量.线切割后模具 钳工修磨人13和出口齿形上棱线成圆弧状,并研磨 齿表面0.0lmm留量,抛光整个模腔,表面粗糙度 24参磊冷加工 =0.2m以内.模具钳工修磨入IZI和出口齿形 上棱线时,一定要保证均匀,如果有的齿修得多, 有的齿修得少,会造成冷挤压花键时阻力不均匀, 阻力小的地方金属材料进得快,阻力大的地方金属 材料进得慢,挤出的花键往阻力大的一侧弯,造成 花键齿向和径向圆跳动精度下降.线切割不能一次 加工到尺寸,最好切割三遍.第二次切割0.5mm左 右的加工量,第三次切割0.1mm左右加工量或空走 一 遍.其目的是为了提高表面质量,防止预应力圈 给模芯很大的压应力,心部材料被切下后,模芯内 腔尺寸往里收缩,先切下的先收缩,后切下的后收 缩,造成模芯内腔尺寸不均匀.如果一次切割完 成,所得模芯内腔尺寸比输入尺寸小,形状也不准 确.切割三遍后,就能消除压应力造成模芯形状和 尺寸的误差.?电火花机床加工凹模内齿形.凹 模内齿形用电火花机床加工.电极的精度直接影 响凹模的精度,电极应采用精度高的滚齿机床加 工,电极精度比凹模精度高一级,比花键轴的精度 高二级.电极的尺寸应比凹模的设计尺寸单边小 0.05mm,作为放电间隙和研磨留量. 凹模内齿形尺寸应做到产品尺寸的下偏差再减 去冷挤压后的回弹量.齿顶圆,齿根圆的回弹是不 同的,一般要试挤后修正一次. 凹模入13和出13处的修整方法同线切割后的修 整方法,也可以用电火花机床来修整凹模入口和出 口处棱线圆角.用电火花机床修整能保证每次修整 凹模入口和出口形状一致. 4.表面强化技术 如气体软氮化,离子氮化及TiC气相沉积等, 现国内企业已广泛使用,可提高模具寿命两倍以 上,但表面强化处理时的温度一定要低于模具材料 的回火温度,否则模具产生基体软化及明显变形. 5.表面抛光技术 模具工作部位的表面最好达到镜面,现主要用 电磨头手工抛光,另外有超声波抛光,电化学抛 光,挤压绗磨机抛光等(含有磨粒的粘性介质在高 压作用下流过被加工表面,可用于抛光,倒圆角, 去毛刺,适合通孔型腔抛光).MW (收稿日期:20111025) 题 专.