CN104148574B - 一种精密冷锻成形的凸轮片制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种精密冷锻成形的凸轮片制造方法。所述制造方法包括以下步骤：A、预处理步骤，线材或棒料钢材经过退火、拉拔和润滑，使其适合冷镦成型的第一胚体；B、冷锻成形步骤，利用卧式或立式锻压机锻压出凸轮片；C、热处理；其中，所述冷锻成形步骤包含扩挤工序。本发明由于采用扩挤工艺，轴承钢冷锻凸轮首次成为可能；相比传统的镦粗工艺，大大降低了锻造力；冷作硬化速度慢，不容易造成开裂；模具寿命大大提高；在冷锻过程中金相组织不会发生改变，表层组织没有脱贫碳的风险；由于直接精挤或精整至最终使用轮廓，省去凸轮轮廓的磨削加工，大大降低了设备投资和零件成本。

Description

一种精密冷锻成形的凸轮片制造方法

技术领域

本发明涉及一种精密冷锻成形的凸轮片制造方法。

背景技术

近年来，随着人们低碳环保意识的增强，低油耗、无污染、轻型化、低成本的发动机机型越来越受到人们的广泛关注。为了减少汽车尾气排放污染、低油耗，实现发动机的高转速、高输出功率，许多发动机采用多气门及配气相位、气门升程可变的结构。同时为了达到汽车轻型化、低成本的目的，在不影响各个零件性能的前提下，应该使零件尽可能简化加工，降低重量、材料使用更合理。并且随着发动机涡轮增压和直喷技术的采用，发动机的强化程度越来越高，使得凸轮轴承受的应力越来越大，整体凸轮轴的疲劳寿命就不能满足要求，而采用装配式凸轮轴就是一种较好的选择。

传统的凸轮轴制造方法主要是采用整体铸造或整体锻造凸轮轴毛坯，然后切削加工生产，这种传统的方法很难制造出凸轮片密布排列的紧凑结构凸轮轴。而且传统方法制造凸轮轴，不仅使大量材料变成废屑，在降低零件重量方面也难有作为。

而装配式凸轮轴是将凸轮轴分成凸轮片、芯轴、轴颈等若干个可装配件，分别进行材料优化及精益加工，再组装成整体凸轮轴的新型组合设计与现代制造模式。其优势在于:1)可实现柔性设计、柔性生产与敏捷制造。在装配过程中，可实现凸轮片相位角与轴向位置的控制、调整与修正，有利于新产品的设计与制造，缩短新产品研制周期。2）有利于材料分体优化与凸轮轴结构形式选择。可根据配气机构对凸轮轴各个部位的性能的要求不同，在同一凸轮片轴上合理选择不同的凸轮片、轴颈与芯轴材料。保证其扭转强度、刚度、弯曲性能、降低成本。3）可针对不同零件采用最适宜的热处理技术与表面强化技术，因而可显著提高凸轮片工作曲面抗点蚀和耐磨性，避免整体凸轮轴热处理过程中产生的变形，从而大幅度提高凸轮轴的制造精度、质量和使用寿命。4）提高凸轮轴整体刚度。针对不同的凸轮片材料与连接技术，其动态扭矩可达800-1000Nm，并可降低摩擦、承受较高的阀门冲击载荷。5）空心管芯轴、凸轮片材料的优化及精密成型技术的应用，可使凸轮轴整体重量降低20%-40%，节约材料可达30%以上。

而凸轮片制造工艺经历了热锻成型、温锻成型、冷锻成型等阶段，目前先进的生产工艺都是采用冷锻成型工艺，冷锻成型的凸轮片具有轻量化、耐磨性好、强度高、一致性好、生产效率高等优点。

现有一种凸轮片（如图1）所示：经过热锻成型（见图2）后，再对凸轮轮廓进行磨削加工，保证凸轮片的精度。热锻成型工艺的缺点是：1.一旦温度超过相变温度，零件局部组织发生转变，甚至淬硬，存在开裂的风险。2.由于材料加热温度较高，热胀冷缩，锻件尺寸变化大，必须留足够的余量，保证后续加工。3.现有的热锻工艺所需要的锻造力都较大，模具寿命低。

经过温锻成型（见图3）后，再对凸轮轮廓进行磨削加工，保证凸轮片的精度。温锻成型工艺的缺点是：1.材料需要被加热，设备比较复杂，成本高。2.温锻操作环境比较恶劣。3.温锻成型中，由于采用感应加热，温度控制较困难，设备调试和低速状态下，材料有可能被加热超过相变温度，存在质量风险。

冷锻成型（见图4），按照常规成型方式：先拍扁到符合外形尺寸，然后再冲孔。但由于高碳轴承钢或合结钢冷变形塑性差，不易成形，在较大型变量的拍扁过程中变形量较大(变形后面积-变形前面积/变形前面积>1.5)，锻件存在开裂风险；并且冷态条件下，高碳轴承钢或合结钢冷的变形抗力较大，因此需要的变形压力较大，一般冷锻设备不足于满足其成形吨位。

发明内容

本发明创造的目的在于提供一种凸轮片的加工成型工艺，该凸轮片材料采用高碳轴承钢或合结钢，用冷锻成形工艺做到符合最终使用要求的凸轮片，不必再做凸轮轮廓的磨削加工。

本发明的具体技术路线是：

一种精密冷锻成形的凸轮片制造方法，其特征在于所述制造方法包括以下步骤：

A、预处理步骤，线材或棒料钢材经过退火、拉拔和润滑，使其适合冷镦成型的第一胚体；

B、冷锻成形步骤，利用卧式或立式锻压机锻压出凸轮片；

C、热处理；

其中，所述冷锻成形步骤包含扩挤工序。

由于在外载作用下，扩挤工序中，利用挤压冲头强行通过预加工的孔会在孔的周围产生塑性变形区，在挤压冲头通过后，塑变层受到其外层弹性区的挤压，在孔壁处即形成一个弹塑性变形层，形成有利的残余压应力分布，当结构承受循环外载作用时，残余压应力可以降低了承载部位周围的拉应力，使平均应力水平大大降低，延长了裂纹萌生的时间，降低了裂纹扩展速率，提高了结构件疲劳强度和抗应力腐蚀的能力。同时，挤压过程能使孔壁金属组织结构发生变化，使位错密度升高，增加了锻件的微观内应力。

热处理的作用：

1.调整工件的硬度、强度、塑性和韧性，达到使用性能要求；

2.稳定组织与尺寸，保证精度；

3.改善和提高加工性能。

所述冷锻成形步骤，利用卧式或立式锻压机锻压出比最终轮廓略大的凸轮片，然后经过去应力退火或球化退火，再经过一次整形达到最终尺寸要求的凸轮片。

应力退火：也叫去应力退火，其目的是改善或消除钢铁在铸造、锻压、轧制和焊接过程中所造成的各种组织缺陷以及残余应力，防止工件变形、开裂；软化工件以便进行切削加工；细化晶粒，改善组织以提高工件的机械性能；为最终热处理(淬火、回火)作好组织准备。

所述冷锻成形步骤由以下工序组成：

B1：墩粗工序，将第一胚体加工成上部含有一个凸块的第二胚体；

B2：冲压工序，将第二胚体冲压成两侧不同深度工孔的第三胚体；

B3：冲孔工序，将第三胚体两个工孔之间的连接部贯通，形成含中部通孔的第四胚体；

B4：扩挤工序，利用挤压冲头对第四胚体进行扩挤，将预设的凹模充满后即得到凸轮片。

本方案墩粗工序跟现有技术有所不同，本方案中墩粗的型变量较小，对于冷锻设备的吨位要求较低，可以有效地降低制造成本。

由于凸轮片存在一个凸圆部，从材料流动分析来说，这样事先在预成形件一侧多出来一部分材料，在下一步由圆形变成凸圆形的过程中，当冲头接触工件压下来时多出部分首先接触到凹模然后材料向一侧流动，填充到凸圆形凸出来的地方；相对没有上述预成形，而直接挤压圆形，当一边接触到凹模时，单纯地靠增加压力硬把材料挤到多出部分，这样不仅材料流动困难，难以成形，而且当材料一边接触模具继续挤压时，挤压会成倍增加，模具寿命大大缩短，设备也很难满足要求。

工件左右两侧的工孔深度不可互换，原因是孔深侧为冲模侧，孔浅侧为主模侧，主模侧工孔如果过深的话会造成工件在顶出时滞留在主模冲棒上，当下一个坯料再由夹手放入此模具时，两个工件会叠加在一起。

所述冲压工序得到的两个工孔形状为底部较小的圆台形，两个工孔之间的连接部厚度为第三胚体整体厚度的三分之一。

所述中部通孔为凸轮片成品孔直径的40%~70%。本发明通过镦粗、镦压、冲孔得到一个带孔的坯料，其圆柱外圆一侧有突起，其孔的直径远远小于凸轮片成品内孔，仅为成品孔直径的40%~70%；而常规的做法是直接镦粗到接近成品尺寸，冲孔的孔径略大于或略小于成品孔径；因此本发明新工艺的冲孔所浪费的材料更少。

所述挤压冲头是具有锥形头部的圆柱体。

所述凸块的体积占整个第二胚体体积的十分之一，形状为底部较大的圆台形。

所述扩挤工序，在利用挤压冲头对第四胚体进行扩挤、将预设的凹模充满得到凸轮片的过程中，挤压冲头正反两向对第四胚体的中部通孔进行扩挤。

精密冷锻成形的凸轮片制造方法中用的一种挤压冲头，其特征在于所述挤压冲头前端为锥形头部，主体为直径与锥形头部的底面直径一致的圆柱体。

所述挤压冲头两端均呈锥形，锥形头部的底面直径小于凸轮片中部通孔直径，锥形底部的底面直径与凸轮片中部通孔直径一致，主体为直径与锥形头部的底面直径一致的圆柱体。

传统的扩挤工艺可能存在物料流向一致导致的产品紧密度不够，存在细微空洞，影响产品质量。本方案的扩挤方法和挤压冲头，能带来两种方向的物料排列，大大减少了细微空洞特别是凸轮片中间通孔表面存在细微空洞的可能性。

本方案中凸轮片冷锻过程中（见图5）采用了扩挤工艺，即先锻压一个带小直径孔的坯料，然后用前端为锥形的冲头扩挤小孔，在增大孔径的同时，使材料径向流动，达到凸轮片外形尺寸要求。

与现有凸轮片成型技术相比，本发明的工艺成型的有益效果在于：

由于采用扩挤工艺，轴承钢冷锻凸轮首次成为可能。

锥形冲头的轴向力转变成作用在被扩挤工件的径向力。由于冲头的锥角很小，径向力可以成倍的增加。这样就需要很小的轴向力，相比传统的镦粗工艺，大大降低了锻造力。

相比传统的镦粗工艺，由于工件材料在径向挤压至完全填充满模具之前，受力较小，冷作硬化速度慢，不容易造成开裂等缺陷。

模具寿命大大提高。主要原因是传统的镦粗工艺，镦粗工序的受力太大，超出现有模具材料的许用应力。

冷锻工艺制造的凸轮片，在冷锻过程中金相组织不会发生改变。表层组织没有脱贫碳的风险。

由于直接精挤或精整至最终使用轮廓，省去凸轮轮廓的磨削加工，大大降低了设备投资和零件成本。

附图说明

图1是凸轮片结构示意图。

图2是现有技术凸轮片热锻成型示意图。

图3是现有技术凸轮片温锻成型示意图。

图4是现有技术凸轮片冷锻成型示意图。

图5是本发明凸轮片冷锻成型示意图。

图6是本发明挤压冲头结构示意图。

图7是本发明另一个实施例挤压冲头结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

实施例1

如图5所示，凸轮片采用高碳轴承钢或合结钢的线材或棒料钢材经过退火、拉拔和润滑，使其适合冷锻成型；然后利用卧式或立式锻压机经过冷锻成型工艺（见图5）挤压出凸轮片最终轮廓；接下来锻件经过应力退火（或球化退火）；最后再经过一次挤压整形达到最终尺寸要求。

一种精密冷锻成形的凸轮片制造方法，包括以下步骤：

A、预处理步骤，线材或棒料钢材经过退火、拉拔和润滑，使其适合冷镦成型的第一胚体；

B、冷锻成形步骤，利用卧式或立式锻压机锻压出凸轮片；

C、热处理；

其中，所述冷锻成形步骤包含扩挤工序。

优化地，所述冷锻成形步骤由以下工序组成：

B1：墩粗工序，将第一胚体加工成上部含有一个凸块的第二胚体；

B2：冲压工序，将第二胚体冲压成两侧不同深度工孔的第三胚体；

B3：冲孔工序，将第三胚体两个工孔之间的连接部贯通，形成含中部通孔的第四胚体；

B4：扩挤工序，利用挤压冲头对第四胚体进行扩挤，将预设的凹模充满后即得到凸轮片。

工件左右两侧的工孔深度不可互换，原因是孔深侧为冲模侧，孔浅侧为主模侧，主模侧工孔如果过深的话会造成工件在顶出时滞留在主模冲棒上，当下一个坯料再由夹手放入此模具时，两个工件会叠加在一起。

所述冲压工序得到的两个工孔形状为底部较小的圆台形，两个工孔之间的连接部厚度为第三胚体整体厚度的三分之一。

所述挤压冲头是具有锥形头部的圆柱体。

所述凸块的体积占整个第二胚体体积的十分之一，形状为底部较大的圆台形。

优化地，所述扩挤工序，在利用挤压冲头对第四胚体进行扩挤、将预设的凹模充满得到凸轮片的过程中，挤压冲头正反两向对第四胚体的中部通孔进行扩挤。

实施例2

精密冷锻成形的凸轮片制造方法中用的一种挤压冲头，其前端为锥形头部。

优化地，所述挤压冲头两端均呈锥形，锥形头部的底面直径小于凸轮片中部通孔直径，锥形底部的底面直径与凸轮片中部通孔直径一致。

Claims (1)

1.一种精密冷锻成形的凸轮片制造方法，其特征在于所述制造方法包括以下步骤：

A、预处理步骤，线材或棒料钢材经过退火、拉拔和润滑，使其适合冷镦成型的第一胚体；第一胚体横截面为圆形，或拉拔成凸轮形状，即一侧是基圆，另一侧有凸起；

B、冷锻成形步骤，利用卧式或立式锻压机锻压出凸轮片；

C、热处理；

其中，所述冷锻成形步骤包含扩挤工序;

所述冷锻成形步骤，利用卧式或立式锻压机锻压出比最终轮廓略大的凸轮片，然后经过去应力退火或球化退火，再经过一次整形达到最终尺寸要求的凸轮片;

所述冷锻成形步骤由以下工序组成：

B1：镦粗工序，将第一胚体加工成上部含有一个凸块的第二胚体；

B2：镦压工序，将第二胚体冲压成两侧不同深度沉孔的第三胚体,并将上下两端面压平整；

B3：冲孔工序，将第三胚体两个沉孔之间的连接部冲通，形成含中部通孔的第四胚体；

B4：扩挤工序，利用挤压棒对第四胚体进行扩挤，最后挤压端面,将预设的凹模充满后即得到凸轮片;

所述中部通孔为凸轮片成品孔直径的40%~70%;

所述挤压棒的两端均呈锥形，锥形头部的底面直径小于凸轮片中部通孔直径，锥形底部的底面直径与凸轮片中部通孔直径一致,主体为直径与锥形头部的底面直径一致的圆柱体。