CN103350121B - 采用冷挤压工艺加工杯形薄壁件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用冷挤压工艺加工杯形薄壁件的方法，根据材料的剪切屈服强度、产品的壁厚系数、摩擦因子、接触应力、外形轮廓及模具轮廓来作出冷挤压过程的滑移线场；再根据作出的滑移线场导出关系数学模型（1），通过关系数学模型（1）求出壁厚系数f；采用冷挤压工艺加工杯形薄壁件，并在最后通过机加工处理上一步骤中所产生的壁厚系数f，以获得成品。本发明利用关系数学模型计算出最合理的壁厚增量，从而减少在冷挤压工艺后的机加工量，利用本发明来生产钢质的杯形薄壁件，与传统的加工方式相比，可节约原料40%以上，生产效率能提高5倍，可明显提高实际生产中的生产效率和产品合格率，大幅度提高零件的力学性能。

Description

采用冷挤压工艺加工杯形薄壁件的方法

技术领域

本发明涉及一种加工方法，特别是一种采用冷挤压工艺加工杯形薄壁件的方法。

背景技术

目前，许多薄壁制件是采用冷挤压成形工艺来进行加工的，现在的冷挤压成形工艺中，为了减少薄壁制件的变形抗力，一般要采用先增加壁厚，再对多余材料进行切削的方式。但是，这样的方式由于事先无法得知合理的壁厚增量（即壁厚系数），因此设计的壁厚系数必须要大于实际需要的壁厚系数，而这样的方式会导致原料浪费，并增加后续的机加工步骤，不仅成本增加，而且还影响生产效率。因此由于钢质薄壁制件的冷挤压成形由于金属固态流动的特性，在薄壁结构成形时遇到困难，影响工艺方案的制定，成为研究钢质薄壁制件冷挤压成形技术的难点。因此现在的很多钢质薄壁制件往往不采用冷挤压成形工艺，而是采用机械加工。例如活塞传统加工方式就主要是机械加工。但是，机械加工存在工序多，生产效率低下，材料浪费严重的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种采用冷挤压工艺加工杯形薄壁件的方法，它能显著降低原材料的消耗、大幅度提高零件的力学性能、提高生产效率、降低生产成本，以克服现有技术的不足。

本发明的是这样实现的：采用冷挤压工艺加工杯形薄壁件的方法，根据材料的剪切屈服强度、产品的壁厚系数、摩擦因子、接触应力、外形轮廓及模具轮廓来作出冷挤压过程的滑移线场；再根据作出的滑移线场导出材料的剪切屈服强度、产品的壁厚系数、摩擦因子及接触应力的关系数学模型（1）

${\mathrm{\σ}}_n=\frac{\{\mathrm{\π\μ}+(3\mathrm{\μ}+1)\sqrt{\frac{1}{{(f-1)}^2+1}}\}K}{2\mathrm{\μ}}---\left(1\right)$

式中σ_n是接触应力，μ是摩擦因子，f是壁厚系数，K是材料的剪切屈服强度；经过查询或检测模具所能承受的最大接触应力后，获得接触应力σ_n，摩擦因子μ及剪切屈服强度K的值，将它们带入关系数学模型（1）中，求出壁厚系数f；采用冷挤压工艺加工杯形薄壁件，并在最后通过机加工处理上一步骤中所产生的壁厚系数f，以获得成品。

所述的冷挤压工艺包括毛坯的制备、毛坯的软化和表面处理、毛坯的冷挤压成形及机加工处理预成型件。

本发明的公式推导过程如下：

本发明设计的杯形件反挤压过程的简化滑移线场如图2中的粗实线部分所示。

图2中， $(2\mathrm{\α}\≤\frac{\mathrm{\π}}{4},R\≤2r);$

根据图2可知，塑性变形区的边界条件因受摩擦影响而发生改变，设ω_B＝α，整个边界情况如OABC所示,BC线为刚塑性区域分界线也是α滑移线。依据滑移线场直接作图法的原理绘制一条α滑移线OEFH，滑移线OE与对称轴OC成45°角，EF平行于CB。因此从图中不难看出：

$\mathrm{AB}=\frac{r_0}{\sin \mathrm{\α}},\mathrm{AC}=\frac{r}{\cos (\frac{\mathrm{\π}}{4}+\mathrm{\α})},\frac{\mathrm{AB}}{\sin (\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\α})}=\frac{\mathrm{AC}}{\sin (\frac{\mathrm{\π}}{4}+\mathrm{\α})}---\left(1\right)$

经过推导得出， $\tan 2\mathrm{\α}=\frac{R-r}{r}=\frac{R}{r}-1$

由 $\tan 2\mathrm{\α}=\frac{\sin 2\mathrm{\α}}{\cos 2\mathrm{\α}},\sin {\left(2\mathrm{\α}\right)}^2+\cos {\left(2\mathrm{\α}\right)}^2=1$ 推出

$\cos 2\mathrm{\α}=\sqrt{\frac{1}{{\left(\frac{R}{r}\right)}^2-\frac{2R}{r}+2}}---\left(2\right)$

现分析B点，凹模壁存在摩擦，根据切应力莫尔圆和屈服准则得出

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{By}}=-\mathrm{\τ}=-K\cos 2\mathrm{\α},{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{Bm}}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{Bx}}+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{By}}}{2}$

$\mathrm{\μ}=\frac{-\mathrm{\τ}}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{Bx}}}=\frac{-K\cos 2\mathrm{\α}}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{Bx}}}---\left(3\right)$

现分析C点，根据滑移线场沿线定理和应力莫尔圆可知

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{Cm}}={\mathrm{\σ}}_{\mathrm{Bm}}+2K({\mathrm{\ω}}_C-{\mathrm{\ω}}_B)={\mathrm{\σ}}_{\mathrm{Bm}}+2K(\mathrm{\α}-\frac{\mathrm{\π}}{4}-\mathrm{\α})=\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{Bx}}+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{By}}}{2}-\frac{\mathrm{\π}}{2}K$

${\mathrm{\σ}}_n=-{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{Cy}}=-({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{Cm}}+K\sin 2{\mathrm{\ω}}_C)=-[{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{Bm}}-K\frac{\mathrm{\π}}{2}+K\sin \{2(\mathrm{\α}-\frac{\mathrm{\π}}{4})\left\}\right]$

$=-(\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{Bx}}+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{By}}}{2}-\frac{\mathrm{\π}}{2}K-K\cos 2\mathrm{\α})---\left(4\right)$

联立式(3)、(4)可得，

$\mathrm{\μ}=\frac{K\cos 2\mathrm{\α}}{2{\mathrm{\σ}}_n-(\mathrm{\π}+3\cos 2\mathrm{\α})K}---\left(5\right)$

如果μ＝0即不考虑摩擦，可得cos2α＝0,α＝45°，与理想滑移线场的边界条件一致。

联立式(2)、(5)可得

$\mathrm{\μ}=\frac{K\sqrt{\frac{1}{{\left(\frac{R}{r}\right)}^2-\frac{2R}{r}+2}}}{2{\mathrm{\σ}}_n-(\mathrm{\π}+3\sqrt{\frac{1}{{\left(\frac{R}{r}\right)}^2-\frac{2R}{r}+2}})K}---\left(6\right)$

令壁厚系数变换式(6)得

${\mathrm{\σ}}_n=\frac{\{\mathrm{\π\μ}+(3\mathrm{\μ}+1)\sqrt{\frac{1}{{(f-1)}^2+1}}\}K}{2\mathrm{\μ}}---\left(7\right)$

式（7）中，是一个减函数，由此可见，伴随壁厚系数f的减少单位接触应力σ_n不断增大。这与工程实际中，冷挤压零件壁厚越薄成形压力越大的经验相一致。

由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明增加接触应力，摩擦因子，壁厚系数及材料的剪切屈服强度作为考虑因素来做出冷挤压过程的滑移线场，并根据该滑移线场导出关系数学模型，再利用该关系数学模型计算出最合理的壁厚增量，从而减少在冷挤压工艺后的机加工量，利用本发明来生产钢质的杯形薄壁件，与传统的加工方式相比，可节约原料40%以上，生产效率能提高5倍，可明显提高实际生产中的生产效率和产品合格率，大幅度提高零件的力学性能；而且由于冷挤压可获得较高的零件尺寸精度及较小表面粗糙度值，具有节约原材料、提高生产效率、减少零件的切削加工量、可用较差的材料代用优质材料等优点，从而使零件成本大大降低，具有很高的运用价值。本发明的方法简单易行，成本低廉，使用效果好。

附图说明

附图1为本发明的实施例的工艺流程图；

附图2为本发明的轴对称杯形件反挤压应力场及α滑移线；

附图3为本发明的实施例所采用的模具的结构示意图；

附图3中的标记为：1-顶杆、2、3-垫块、4-凹模、5-工件、6-凸模、7-凸模套。

具体实施方式

本发明的实施例：采用冷挤压工艺加工杯形薄壁件的方法，生产的产品为钢质薄壁活塞，根据材料的剪切屈服强度、产品的壁厚系数、摩擦因子、接触应力、外形轮廓及模具轮廓来作出冷挤压过程的滑移线场，做出的滑移线场如图2所示；再根据作出的滑移线场导出材料的剪切屈服强度、产品的壁厚系数、摩擦因子及接触应力的关系数学模型（1）

${\mathrm{\σ}}_n=\frac{\{\mathrm{\π\μ}+(3\mathrm{\μ}+1)\sqrt{\frac{1}{{(f-1)}^2+1}}\}K}{2\mathrm{\μ}}---\left(1\right)$

式中σ_n是接触应力，μ是摩擦因子，f是壁厚系数，K是材料的剪切屈服强度；经过查询或检测后，获得接触应力σ_n，摩擦因子μ及剪切屈服强度K的值，将它们带入关系数学模型（1）中，求出壁厚系数f；依据零件的具体尺寸进行下料，坯料制作方式主要采用剪切棒料的方式完成；之后对坯料进行毛坯软化、润滑（磷化-皂化)处理，磷化-皂化处理主要包括除油、冷水洗、热水洗、酸洗、冷水洗、热水洗、磷化、冷水洗、热水洗、中和、皂化及干燥这十二道工序；坯料处理完成后，采用冷挤压反挤压一次成形的方式，将其置于凹模4里，通过凸模6垂直向下的运动挤压成活塞的预成型件，并在挤压完成后通过顶杆1的垂直向上运动顶出；最后，对活塞预成型件进行机加工，按照求出的壁厚系数f切削多余的材料以满足零件最终尺寸要求。

以生产活塞为例，采用牌号为Cr12MoV的模具，模具材料在冷挤压成形中的许用应力约为2500MPa，预测值可定为2000MPa；冷挤压采用二硫化钼作润滑剂的摩擦因子为0.1；合金钢的剪切强度约等于0.6～0.8倍的抗拉强度，本发明取K＝0.65σ_b＝260MPa。

由 ${\mathrm{\σ}}_n=\frac{\{\mathrm{\π\μ}+(3\mathrm{\μ}+1)\sqrt{\frac{1}{{(f-1)}^2+1}}\}K}{2\mathrm{\μ}},$ 代入K＝260MPa，σ_n＝2000MPa，μ＝0.1，r＝11.25mm（根据活塞零件内部尺寸及一次成形要求，凸模外径r可定为活塞内径值）得出R＝13.5mm。

Claims (2)

1.一种采用冷挤压工艺加工杯形薄壁件的方法，其特征在于：根据材料的剪切屈服强度、产品的壁厚系数、摩擦因子、接触应力、外形轮廓及模具轮廓来作出冷挤压过程的滑移线场；再根据作出的滑移线场导出材料的剪切屈服强度、产品的壁厚系数、摩擦因子及接触应力的关系数学模型1

式中σ _n 是接触应力，μ是摩擦因子，f是壁厚系数，K是材料的剪切屈服强度；经过查询或检测后，获得接触应力σ _n ，摩擦因子μ及剪切屈服强度K的值，将它们带入关系数学模型1中，求出壁厚系数f；采用冷挤压工艺加工杯形薄壁件，并在最后通过机加工处理上一步骤中所产生的壁厚系数f，以获得成品。

2.根据权利要求1所述的采用冷挤压工艺加工杯形薄壁件的方法，其特征在于：所述的冷挤压工艺包括毛坯的制备、毛坯的软化和表面处理、毛坯的冷挤压成形及机加工处理预成型件。