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      汽車變速器異形軸套冷擠壓工藝及模具設(shè)計(jì)

      2021-04-21 06:14:28文仁興
      設(shè)備管理與維修 2021年5期
      關(guān)鍵詞:工藝性凹模凸模

      胡 冬,梅 靜,文仁興,朱 雄

      (1.四川化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川瀘州 646099;2.重慶上方汽車配件有限責(zé)任公司,重慶 400060)

      0 引言

      異形軸套作為汽車變速器起連接作用的關(guān)鍵零部件,其成形質(zhì)量的優(yōu)劣對變速器使用性能及可靠性有著重要影響[1-2]。變速器異形軸套的傳統(tǒng)制造模式以切削加工為主,生產(chǎn)效率低下,同時(shí)造成大量材料浪費(fèi)[3]。隨著制造業(yè)的快速發(fā)展,機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)呈現(xiàn)多樣化,其中冷擠壓成形工藝可以節(jié)約材料、降低成本、有效提高生產(chǎn)效率、表面質(zhì)量好,獲得尺寸精度高、機(jī)械性能好的產(chǎn)品零件,已在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用[4-5]。因此,選擇汽車變速器異形軸套作為研究對象,采用冷擠壓技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)。

      1 零件結(jié)構(gòu)及工藝性分析

      1.1 結(jié)構(gòu)分析

      某汽車變速器異形軸套,材料為10#鋼(圖1)。該軸套零件在變速器傳動(dòng)過程中起連接作用,對軸套的強(qiáng)度、韌性、表面硬度和抗疲勞性能有較高要求。該軸套零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,外形曲面是異形曲面,內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在階梯臺階及異形曲面,其中上端面外徑Φ40 mm、內(nèi)徑Φ26 mm,孔口以直徑為Φ29 mm錐形面過渡,形成階梯臺階;軸套內(nèi)部下端以花形曲面過渡,由Φ22 mm和R6.5 mm的圓弧連接而成,高度35 mm。軸套零件底部為花鍵型孔。

      1.2 工藝性分析

      圖1 異形軸套

      軸套零件成形難度主要集中在內(nèi)部花形曲面、外部異形曲面、以及底部縮頸部分:①在冷擠壓過程中,由于軸套內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈臺階狀和花形曲面過渡,成形過程中材料流動(dòng)困難,模具應(yīng)力集中,載荷大;②外部異形曲面結(jié)構(gòu)對稱分布在零件的兩側(cè),形狀復(fù)雜且與凹模摩擦較大,金屬難以流動(dòng),產(chǎn)品表面質(zhì)量和零件外形精度難以保證。軸套零件縮頸部分過渡圓角大小是成形的關(guān)鍵,通過對軸套成形難點(diǎn)的分析,設(shè)計(jì)出合理的工藝方案是軸套零件成功擠壓的關(guān)鍵。軸套零件具體的工藝路線:下料→擠壓預(yù)制坯→預(yù)成形→終成形,并在成形工序前增加軟化處理等工序(圖2)。

      圖2 軸套成形工藝方案

      2 冷擠壓件圖制定

      軸套冷擠壓件成形圖依據(jù)軸套零件圖制定,結(jié)合對異形軸套零件結(jié)構(gòu)及工藝性分析,采用冷擠壓進(jìn)行軸套零件的生產(chǎn),需要制定出復(fù)合冷擠壓工藝要求的擠壓件圖。在設(shè)計(jì)冷擠壓件圖時(shí),必須考慮以下問題[6-7]:①根據(jù)零件結(jié)構(gòu)及特點(diǎn),確定工藝方案,采用哪種冷擠壓方法,分幾道工序完成;②根據(jù)擠壓成形特點(diǎn),對零件進(jìn)行優(yōu)化,不需機(jī)加工部分應(yīng)直接按照零件圖給出尺寸及公差,機(jī)加工部分按擠壓件要求給出機(jī)加工余量及公差;③為了冷擠壓件能方便從模具取件,但凡凹槽、臺階等不能進(jìn)行冷擠壓的局部結(jié)構(gòu)都要進(jìn)行加放余料處理,冷擠壓后進(jìn)行機(jī)加工切削處理;④該軸套零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,考慮金屬在模腔里的流動(dòng)性,為防止產(chǎn)生廢品和減少模具在尖角處的應(yīng)力集中,在零件過渡處應(yīng)設(shè)置足夠大的圓角。

      分析異形軸套零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工藝性,結(jié)合冷擠壓原則,設(shè)計(jì)出異形軸套的擠壓件(圖3):①軸套冷擠壓件上端預(yù)留2 mm的機(jī)械加工余量,底部加上敷料并預(yù)留4 mm的機(jī)械加工余量;②底部為花鍵型孔,通過沖孔工藝沖掉底部連皮,底部連皮厚度為7 mm。外形曲面機(jī)械加工困難且加工成本較高,在設(shè)計(jì)擠壓件時(shí),零件內(nèi)部花形曲面、錐形圓孔和外部異形曲面直接擠壓成形而不進(jìn)行機(jī)械加工,其形狀和尺寸與零件一致。

      圖3 軸套冷擠壓件

      3 毛坯制備及處理

      3.1 毛坯尺寸及形狀

      根據(jù)異形軸套的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn),同時(shí)為了便于送料和坯料定位,采用圓柱形棒料作為冷擠壓成形時(shí)的坯料。根據(jù)體積成形體積不變的原理,經(jīng)計(jì)算其體積為V=42 407.5 mm3,則毛坯下料形狀尺寸為Φ40 mm×35 mm。

      3.2 毛坯軟化處理

      零件選用的材料為10#鋼,其初始狀態(tài)為正火態(tài),在冷擠壓過程中,材料變形抗力較大、難于變形,一般不適合冷擠壓成形。由于軸套外部為異形結(jié)構(gòu),內(nèi)部也是異形,若不經(jīng)退火處理而直接進(jìn)行冷擠壓,則成形極為困難,模具極易損壞。因此,在冷擠壓前必須對坯料進(jìn)行一定的軟化處理,降低材料變形抗力,提高材料塑性[7]。

      3.3 毛坯的潤滑處理

      由于異形軸套內(nèi)外結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在冷擠壓過程中金屬變形劇烈,變形量巨大,需要對坯料表面進(jìn)行良好的潤滑處理。本工藝采用磷化皂化工藝,具體流程如下:清除表面缺陷→去除氧化皮→冷水清洗→磷化皂化處理。

      4 模具設(shè)計(jì)

      異形軸套結(jié)構(gòu)復(fù)雜,對冷擠壓成形模具的強(qiáng)度和壽命要求較高,其主要工藝方案采用:擠壓預(yù)制坯→預(yù)成形→終成形。其中預(yù)成形與終成形采用相同的模架結(jié)構(gòu),工作部分零件根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際尺寸確定(圖4)。

      4.1 凸模設(shè)計(jì)

      由于軸套為多工序擠壓件,擠壓凸模需結(jié)構(gòu)簡單、便于加工制造(圖5)。凸模整體高度為155 mm,其中工作部分直徑Φ50 mm、高度15 mm,其余為導(dǎo)向部分,采用模口導(dǎo)向,與凹模滑動(dòng)間隙配合。其中軸套預(yù)制坯和終成形工序的凸模導(dǎo)向部分與夾緊部分的結(jié)構(gòu)尺寸相同,工作部分根據(jù)擠壓產(chǎn)品的內(nèi)形來確定。

      圖4 模具結(jié)構(gòu)

      圖5 凸模結(jié)構(gòu)

      圖6 軸套組合凹模結(jié)構(gòu)

      4.2 凹模設(shè)計(jì)

      由于異形軸套的結(jié)構(gòu)及工藝性復(fù)雜,凹模是成功擠壓出軸套零件的關(guān)鍵。異形軸套凹模主要由3部分組成,分別是導(dǎo)向、成形和頂出部分。根據(jù)零件的復(fù)雜程度,考慮到凹模的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,異形軸套凹模采用預(yù)應(yīng)力3層式組合凹模,分別由預(yù)應(yīng)力凹模外圈、預(yù)應(yīng)力凹模內(nèi)圈和凹模芯組成,采用帶壓合角γ 的室溫冷壓合方法由外向內(nèi)進(jìn)行壓合,壓合角γ 為1°30′(圖6)。

      5 結(jié)束語

      冷擠壓技術(shù)是少無切削加工技術(shù),相較切削加工有無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)踐表明,采用冷擠壓技術(shù)生產(chǎn)異形軸套可以明顯節(jié)約材料,提高產(chǎn)品性能,提高生產(chǎn)效率。

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