矩形花键轴冷挤压工艺与模具
1．产品工艺分析
冷挤压工艺是一种利用三向压应力对常温材料成形的一种少或无切削的加工工艺方法。产品为一机车的传动主轴，材料为20Cr，其中的矩形外花键的要求：具有良好的综合力学性能，各花键的位置度高，表面光滑。采用机械加工方式的特点：加工灵活、不需要二次工装、适合小批量生产，位置度由分度头的精度保证，随意性大，人为因素影响大，花键的表面粗糙度难以保证，金属表面的力学性能差；采用冷挤压加工的特点：花键位置度由模具保证(模具型腔由慢走丝线切割机加工，且经抛光处理)，冷挤压使产品表面晶粒细化，综合力学性能良好，表面光滑，生产效率高，工艺路线长，适合批量生产。综合该产品批量大、及对外花且尺寸一致性好，以免损坏模具，我们采用的是先粗车后无心外圆磨，表面光滑，粗车外圆基本一致，无心磨时的余量基本一致，加工的效率高，尺寸一致性好，能达到冷挤压工艺的要求。
②软化处理本产品的材料20Cr，软化处理是冷挤压成功的关键，若不用软化直接冷挤压，成形困难，模具极易损坏，软化后产品的塑性过大，则产品在模具入口处堆积，产品无法成形，模具局部损伤严重，通常在140～160HBW时效果最佳，采取软化方式为完全退火，但在退火中要减少产品氧化。
③润滑处理润滑处理的好坏直接影响产品尺寸及表面粗糙度，我们采用磷化后皂化处理，其流程及重要参数如下：
键的要求，决定采用冷挤压加工。
2．冷挤压工艺
(1)冷挤压工艺路线 由于此产品用于机车传动主轴，随着我国机车车辆技术的发展，客户对于主轴外花键的要求越来越高，经过反复实践与大胆探索，我们总结出了主轴加工的工艺路线：下料一软化一粗车一无心外圆磨一润滑一冷镦一润滑一冷挤压一精加工，此工艺路线的特点：产品的质量稳定，生产效率高，产品尺寸一致性好，自动化程度高，可批量生产，对操作员的技术要求不高，材料利用率高，成本低。
(2)毛坯制坯处理
a.表面加工冷挤压加工要求产品的表面要光滑，
氢氧化钠l碳酸钠 磷酸钠 水玻璃 水 温度 时间
60一lO09160～1009 25～809 lO～159 lL ≥85℃ 15～25min
b．流动冷水洗。
C．热水洗。
d．酸洗使用盐酸时用浓盐酸，或者用浓度15％在室温下处理。
e．流动冷水淋洗。
f．热水洗。
g．磷化处理(配方略)。
h．流动冷水淋洗。
i．中和NaOH溶液(39／L)60。C中进行，目的是将磷化层中残存的酸性物质中和掉，延长皂化液使用寿命。
j．皂化如用肥皂，浓度709／L，温度55．60。C，处理时间30rain，经皂化处理后的坯件利用自身余热干燥，也可在75一llO。C热空气中干燥。 通过对产品的润滑处理，产品在脱模过程中相当顺利。从而避免了产品拉伤模具的现象，提高模具的使用寿命。
(3)毛坯尺寸产品在变形前后的体积损耗极少，省略不计，因此可认为是体积不变。矩形花键是规则的几何形状，但是在其收尾部分要准确计算其体积不易，必须借助CAD中的三维制图，再利用其功能计算出产品冷挤后的体积，从而根据毛坯的外圆计算出毛坯长度，毛坯外圆的确定是由实践经验总结。
产品的计算过程为：毛坯外圆(根据经验)取为21．4mm；根据体积不变原理可知毛坯的长度为67．5mm；由后续加工中的余量，可实际取其长度为68．5mm
实践证明：产品余量不大，材料无浪费，节约原材料。
(4)压力机的选择选择压力机的重要因素为
①冷挤压的压力根据计算变形压力：
F=PA=ZnR。A
式中 f----总挤压力，kN
P----单位挤压力，kN
z——模具形状系数，按经验取Z=1．1
σb——抗拉强度，查相关资料知σb =885 MPa
A——工作部分横截面面积，452．39mm2
n——挤压方式及变形程度修正系数，一般情况
下n=5
经计算F=152.4kN。
因此根据经验选择200kN的压力机。
②冷挤压的成形特点冷挤压成形过程在较为缓慢中进行，有利于金属的流动，若用曲柄压力机，无法实现缓慢的动作，坯件在瞬间受到冲击力的作用成形，冷变形强化加剧，变形抗力大，模具型腔所处状态较为恶劣，产品回弹大，变形大，由冷变形强化所产生的力学性能不稳定，产品报废率高。比较之下，采用液压机，其行动平稳，压力可调，操作方便，一名操作员可胜任此项工作；综合以上，我们选用了200kN的油压机，这种压力机的行程可调，操作时用脚踏板进行，方便快捷、技术要求不高。
3．模具设计
(1)模具结构及工作过程根据矩形外花键的特点，我们对原有的模具结构做了改进：重点在于成形部分，即上、下凹模的结构和人口部分，同时结合将原来整体模改为现行的组合模，进行了几次技术攻关，现在的模具结构。
模具由上下两部分组成，其特点为：上下模的定位完全是由导柱18和导套5的定位进行，上下凹模之间的对中度完全由导柱导套的制造精度来保证。
工作过程：上下模调整到一定的距离，可以装入轴，保证主轴在上下模的导向位置，当压力机往下运动后，首先是轴的下部分进入型腔，直到成形完成；上模往上运动后，由于上模孔为光孔，产品留在凹模10，上模继续往上移动后，直到一定距离后(该距离能让产品顶出)不再往上运动，则由顶杆14顶出产品，形成产品加工的一个周期。
(2)模具的重要部件设计材料为Crl2MoV，氮化处理：表面硬度68～70HRC，心部硬度62—64HRC。
凹模内圈的设计是模具设计中的关键，承受了最大的冷挤压压力。为了加强凹模的强度，通常采用预应力组合凹模，可以用二层或三层组合而成，内圈分为导向部分、预成形部分、成形部分，导向部分的作用对轴进行导向，此部分的长度由受力的作用及实际情况确定；成形部分作为产品的最初变形区，是产品成形的关键部位，人口角度的大小对于产品成形后的尺寸影响很大，角度大，产品成形饱满，产品成形长度短，角度小，成形容易，花键外径小，角度在一定范围内最佳，一般为25。一30。；成形部分是产品的最后形成尺寸部分，不宜设计过长，过长产品成形困难，模具受力大，用顶杆顶出力过大，不易顶出且易造成模具成形部分拉伤，此部分也不宜设计过短，过短会使产品成形后变弯；此外产品在成形后有一定的回弹，这在模具尺寸设计时已经做了相应处理。
(3)模具材料及热处理冷挤压模具在产品的成形中，受力情况比较复杂，要求模具材料必须有一定韧性和较高的硬度，要求材料在工作时的变形小，虽然是冷挤压，但在工作时，由于摩擦的作用，产生了较多的热量，工作时的温度大约300。C，这就要求材料有一定的红硬性。我们最初用的材料是T10A，淬火62～64HRC，此材料能受较高的压力，由于产品的脆性大，成形部分凹模产生了裂纹，现在我们所用的材料为Crl2MoV，淬火后二次回火，并对成形模具的表面增加了氮化处理，表面硬度68～70HRC，心部硬度在62—64HRC，并具有一定的耐磨性，模具寿命提高30％。
(4)模具装配时的工艺要求模具采用组合件，在装配时显得十分重要，要求凹模内圈的外圆一定要与凹模配合恰当，过盈过大易造成凹模的变形，挤出产品为不合格品，有间隙时，定位受到影响。产品易变弯且易飞出模具形成危险；一般我们的过盈量为0．02～0.04mm，这要求装配时再进行精加工，我们所采用的是立方氮化硼刀片进行车削。
4．结语
实践证明：对于生产批量大的外花键主轴及类似产品，采用冷挤压方法加工，零件尺寸精度高，尺寸一致性好，表面质量好，生产效率高，生产周期短，金属流线好，是一种理想的加工方法。
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