王德俊

(鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，河南 鶴壁 458030)

冷擠壓是利用金屬塑性變形進(jìn)行零件成形的一種少或無切削加工工藝，材料在三向壓應(yīng)力狀態(tài)下擠壓成形后組織致密、晶粒細(xì)化，且材料流線沿零件輪廓連續(xù)分布，大大提高了零件的力學(xué)性能，尤其是抗疲勞性能[1-2]。GGr15軸承鋼在常溫下硬度高、變形抗力大，擠壓模具尤其是凸模極易產(chǎn)生崩裂、掉塊等缺陷而早期損壞，導(dǎo)致擠壓件(套圈)易產(chǎn)生微裂紋。下文對(duì)GGr15鋼軸承套圈擠壓工藝及模具的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了試驗(yàn)分析。

1 工藝分析

目前國內(nèi)軸承套圈的生產(chǎn)工藝主要有：(1)管材或棒材毛坯直接切削加工；(2)擠壓鍛造→輾擴(kuò)成形；(3)套鍛→輾擴(kuò)成形；(4)塔形擠壓→輾擴(kuò)成形；(5)自由沖孔→輾擴(kuò)成形；(6)高速鐓鍛；(7)冷擠壓和溫?cái)D壓。用管材或棒材毛坯直接切削加工軸承套圈的材料利用率和生產(chǎn)效率低；熱鍛毛坯尺寸精度低、脫碳層厚，切削留量大，材料利用率低；擴(kuò)孔工藝雖能獲得較高精度的鍛件，但由于毛坯下料精度、輾擴(kuò)溫度、擴(kuò)孔機(jī)剛性和調(diào)整等原因，套圈尺寸的一致性、圓度和圓柱度仍不夠理想，不利于后續(xù)切削加工時(shí)的自動(dòng)裝夾；高速鐓鍛技術(shù)非常適合于大批量中小型軸承套圈的生產(chǎn)，國外使用已非常普遍，但國內(nèi)多數(shù)廠家目前尚沒有普及。

冷擠壓工藝具有精度高、生產(chǎn)效率高和材料利用率高等優(yōu)點(diǎn)，早在20世紀(jì)70年代后期國內(nèi)就有研究、并應(yīng)用于軸承套圈的生產(chǎn)。但冷擠壓工藝輔助工序較多，中間需經(jīng)過幾次退火和表面潤滑，工序繁瑣、流程長，尤其是對(duì)于GGr15軸承鋼，在工藝試驗(yàn)過程中，針對(duì)其變形特征，需要改進(jìn)中間工序如擠壓坯料的表面潤滑等，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理的擠壓模具[2]。

2 冷擠壓工藝過程及分析

冷擠壓成形軸承套圈的方案有單圈反擠壓成形工藝、無環(huán)帶復(fù)合冷擠壓成形、無環(huán)帶套料復(fù)合冷擠壓成形和有環(huán)帶套料復(fù)合冷擠壓等，經(jīng)反復(fù)論證和工藝試驗(yàn)，確定的GGr15鋼軸承套圈冷擠壓工藝流程為：冷剪下料→感應(yīng)加熱→制坯(鐓餅)→退火→潤滑→復(fù)合擠壓(分離外圈及環(huán)帶)→退火→潤滑→反擠內(nèi)圈→成品。下文以6203套圈為例進(jìn)行工藝過程說明。

2.1 擠壓件尺寸設(shè)計(jì)

冷擠壓的尺寸精度較高，軸承套圈冷擠壓后其內(nèi)孔、外圓及高度方向的尺寸均不需要進(jìn)行車削加工，但要預(yù)留合適的磨削余量。6203軸承套圈冷擠壓制件的尺寸如圖1所示。

圖1 6203軸承套圈擠壓件

2.2 下料尺寸確定

毛坯尺寸的計(jì)算，除了按照體積不變?cè)瓌t外，還要加上環(huán)帶及反擠壓連皮的體積。環(huán)帶及反擠連皮的厚度取2.2mm，經(jīng)計(jì)算，6203套圈每套毛坯質(zhì)量為88 g。對(duì)于GGr15鋼制套圈，既要考慮冷剪切下料的方便，還要考慮到鐓餅變形時(shí)的極限變形程度，經(jīng)過計(jì)算和工藝試驗(yàn)，下料尺寸確定為Φ24 mm×25 mm。

2.3 擠壓毛坯的設(shè)計(jì)

擠壓毛坯的設(shè)計(jì)，實(shí)質(zhì)上是對(duì)擠壓件所需金屬的預(yù)分配，擠壓毛坯金屬分配要合理，毛坯的形狀和尺寸要充分有利于擠壓件的成形。根據(jù)冷擠壓工藝特點(diǎn)，為便于操作，擠壓毛坯直徑應(yīng)略小于擠壓件的外徑，即

d1=d-Δ，

式中：d1為擠壓毛坯直徑，mm；d為擠壓件外徑，mm；Δ為系數(shù)，一般取Δ=0.1～0.3 mm；這里取Δ=0.2 mm。

計(jì)算得d1=40.2-0.2=40 mm。再根據(jù)體積不變?cè)瓌t，得242×25=402t，從而計(jì)算出擠壓毛坯厚度t=9 mm。由此得到擠壓毛坯尺寸為Φ40 mm×9 mm。

2.4 毛坯軟化退火及潤滑處理

GGr15鋼在常溫下塑性差，硬度高，為改善其冷擠壓性能，提高毛坯材料塑性，降低硬度和變形抗力，提高模具的使用壽命，需要對(duì)毛坯進(jìn)行合適的軟化處理。試驗(yàn)中毛坯的軟化退火工藝為：加熱至790 ℃保溫3～4 h，冷卻至690 ℃后保溫1.5～2 h，爐冷至550 ℃以下后出爐。退火后毛坯硬度控制為125～140 HB。

毛坯的潤滑狀態(tài)對(duì)冷擠壓件的表面質(zhì)量和模具壽命有很大影響。普遍采用的磷化、皂化處理因工序多，占地面積大，污染環(huán)境等，一定程度上限制了其在黑色金屬冷擠壓中的應(yīng)用。因此，采用一種新型的有機(jī)高分子水溶液潤滑劑代替?zhèn)鹘y(tǒng)的磷化、皂化處理，對(duì)軸承套圈擠壓毛坯表面進(jìn)行潤滑。該潤滑劑具有無毒、無臭、易清洗、成本低及操作簡便等優(yōu)點(diǎn)，在擠壓前將坯料浸涂該潤滑劑，烘干后即可用于冷擠壓，擠壓后零件的表面質(zhì)量等指標(biāo)均達(dá)到要求，甚至優(yōu)于磷化、皂化的潤滑效果，零件尺寸穩(wěn)定可靠。

3 模具設(shè)計(jì)

3.1 模具結(jié)構(gòu)及工作過程

6203軸承內(nèi)、外圈復(fù)合擠壓所采用的模具如圖2所示。模具采用通用模架，上模與下模采用導(dǎo)柱、導(dǎo)套導(dǎo)向，保證了良好的導(dǎo)向精度。將軟化和潤滑處理后的毛坯放入凹模內(nèi)，上模向下運(yùn)動(dòng)，凸模芯軸接觸坯料；隨著上模繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，凸模、凸模芯軸、凹模、凹模鑲塊共同作用，完成對(duì)零件的復(fù)合擠壓成形。當(dāng)上模向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，拉桿帶動(dòng)頂板，通過頂桿座、頂桿帶動(dòng)頂件桿，將擠壓件從凹模內(nèi)頂出。

1，8—螺釘；2—上模座；3—螺母；4—拉桿；5—定位銷；6—凸模固定套；7—凸模墊板； 9—凸模芯軸；10—定位圈；11—鎖緊螺母；12—導(dǎo)套；13—凸模；14—凹模；15—凹模中套；16—擠坯；17—凹模鑲塊；18—凹模外套；19—導(dǎo)柱；20—頂件桿；21—頂桿；22—下模座；23—頂桿座；24—頂板圖2 6203套圈復(fù)合擠壓模具結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 凹模

采用3層組合凹模，其分別由凹模、凹模中套和凹模外套冷壓配合而成，壓配情況如圖3所示。

圖3 3層組合凹模壓配示意圖

壓配時(shí)，徑向過盈量(雙向)U2，U3與軸向壓合量c2，c3分別為

U2=β2d2,c2=δ2d2，

U3=β3d3,c3=δ3d3，

式中：U2，U3分別為d2，d3處的徑向過盈量(雙向)，mm；β2，β3分別為d2，d3處的徑向過盈系數(shù)；c2，c3分別為d2，d3處的軸向壓合量，mm；δ2，δ3分別為d2，d3處的軸向壓合系數(shù)。

依經(jīng)驗(yàn)，一般擠壓模具徑向過盈量U2，U3與軸向壓合量c2，c3均取為0.3 mm，考慮到GGr15鋼擠壓時(shí)變形抗力較大，U2，U3，c2，c3均取為0.35 mm。壓合角γ=1°30′，壓合時(shí)要求錐面貼合率大于80%。壓合時(shí)，各套依順序由外向內(nèi)壓合，先將中套壓入外套，再將凹模壓入。嚴(yán)禁先將凹模壓入中套，否則，中套在沒有外套預(yù)壓保護(hù)的情況下，在凹模壓入過程中或壓入后停放時(shí)，可能發(fā)生爆裂。在中套壓入外套后，首先應(yīng)精磨中套內(nèi)孔，使中套內(nèi)孔達(dá)到設(shè)計(jì)要求后再壓入凹模。凹模壓入后，也應(yīng)對(duì)凹模內(nèi)腔進(jìn)行研磨，以保證所要求的尺寸精度；最后壓入凹模鑲塊，磨平組合凹模底面(圖4)，以保證工作時(shí)凹模底面受到可靠的支承。

圖4 壓配完成的組合凹模

凹模材料選用7Cr7Mo2V2Si鋼(LD鋼)，熱處理硬度為60～62 HRC[3]；中套和外套材料可選用35CrMnSiA，5CrMnMo或5CrNiMo，熱處理硬度中套為45～48 HRC，外套為40～44 HRC。

3.3 凸模設(shè)計(jì)

組合凸模由凸模芯軸和凸模組成，在裝配時(shí)靠定位圈定位，鎖緊螺母進(jìn)行鎖緊固定(圖2)。凸模材料為LD鋼，采用“低淬低回”的熱處理工藝，淬火溫度為1 060 ℃，回火溫度為220 ℃，回火2次，硬度為58～60 HRC。適當(dāng)降低淬火溫度，可在加熱過程中讓足夠的碳及合金元素溶入奧氏體，淬火后獲得高硬度馬氏體組織和少量的殘余奧氏體，降低了熱應(yīng)力[4]；低溫回火，旨在消除淬火應(yīng)力，使其盡量保持淬火狀態(tài)的尺寸，減少熱變形。

4 結(jié)束語

采用冷擠壓技術(shù)成形GGr15鋼軸承套圈，具有精密、優(yōu)質(zhì)、高效、低消耗及低成本等特點(diǎn)，發(fā)展前景良好。擠壓成形的6203軸承套圈與熱鍛軸承套圈(內(nèi)、外圈用料126 g)相比，每套軸承材料減少38 g ，材料利用率提高30%以上，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。