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        汽車齒輪冷擠壓工藝的設(shè)計與改進

        2014-04-16 04:33:08合肥市建元機械有限責任公司安徽230001金林奎王春亮趙建國
        金屬加工(熱加工) 2014年7期
        關(guān)鍵詞:球化模鍛坯料

        合肥市建元機械有限責任公司 (安徽 230001) 金林奎 王春亮 趙建國

        1.概述說明

        (1)齒輪冷擠壓鍛造 是一種少無切削加工工藝,材料利用率高,生產(chǎn)效率高,成本費用較低,適宜于大批量生產(chǎn)等特點。從國外發(fā)達工業(yè)地區(qū)來看,齒輪精鍛生產(chǎn)工藝,已經(jīng)過一個從熱模鍛到冷擠壓的發(fā)展過程。目前我國正處在從熱模鍛向冷擠壓生產(chǎn)工藝發(fā)展階段。

        (2)齒輪熱模鍛生產(chǎn)工藝 適用于精度要求較低的拖拉機、農(nóng)用機械等方面齒輪件。對于汽車齒輪,由于精度要求較高,需采用冷擠壓加工工藝。國外發(fā)達國家和地區(qū)生產(chǎn)汽車齒輪,大都采用冷擠壓加工工藝,如日本、德國、美國等,而亞洲地區(qū)普遍采用熱模鍛及溫精整工藝生產(chǎn)汽車齒輪。

        根據(jù)本公司現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)水平,并參考國內(nèi)外有關(guān)經(jīng)驗,采用冷擠壓加工工藝生產(chǎn)汽車齒輪。首先產(chǎn)品精度能有效提高,其精度完全由模具來保證,其次能充分利用現(xiàn)有大部分生產(chǎn)設(shè)備及生產(chǎn)技術(shù),并適合于大批量生產(chǎn)需要,且無需加熱,產(chǎn)品無飛邊,加工余量少,減少多道切削加工工序,因而節(jié)能節(jié)材效果進一步提高。

        2.生產(chǎn)過程

        現(xiàn)有工藝流程:鋸床下料→車外圓、倒角→球化退火→檢驗→磷皂化處理→冷擠壓→檢驗→粗加工→熱處理→檢驗→精加工→檢驗→成品。以下只呈述冷擠壓加工流程及控制。

        (1)鋸床下料 原材料準備,必須經(jīng)過化學(xué)分析、金相檢驗、力學(xué)性能檢測合格后,方可投入下料工序進行鋸床下料。冷擠壓加工要求的下料精度較高,坯料重量誤差要求一般控制在1%左右。下料設(shè)備應(yīng)該采用高精度帶鋸床,或者采用高速圓盤鋸片進行加工。鋸床鋸條厚度為0.90~1.00mm,鋸條或鋸片縫隙為1.00~2.00mm,下料尺寸精度為±0.15mm,端面與軸線垂直度為0.10mm。

        (2)切削加工 為保證坯料表面質(zhì)量,坯料表面不得有氧化脫碳、裂紋、折疊、劃傷、拉筋等缺陷,因此必須對坯料外圓進行切削加工。必要時采用無心磨床,生產(chǎn)效率高,更加能夠有效控制坯料的重量誤差,進一步降低坯料的表面粗糙度值,表面粗糙度值應(yīng)控制在Ra=1.6μm下。磨削加工時,必須保證坯料表面質(zhì)量,特別注意避免坯料表面磨削燒傷。

        (3)球化退火 坯料在冷擠壓前需進行球化退火處理,降低坯料硬度,提高工件的冷加工變形能力,改善金相組織,為后期熱處理提供保障。球化退火目的是為了使原始的片狀珠光體中片狀碳化物發(fā)生球化,轉(zhuǎn)化為球狀的碳化物顆粒,形成鐵素體基體上彌散分布顆粒狀碳化物的球狀珠光體,顯著提高坯料冷加工變形能力。球化退火處理,通常采用井式爐改裝的半真空裝置,預(yù)抽真空,充氮氣保證爐內(nèi)壓力,同時滴加甲醇作為保護氣氛,防止工件氧化脫碳,影響冷擠壓加工產(chǎn)品的表面質(zhì)量。

        (4)金相檢驗 球化退火處理的產(chǎn)品,檢查項目包括球化組織、球化硬度、表面脫碳層及晶粒度的測量與評定。其中球化組織的好壞,直接影響坯料的冷擠壓效果,球化退火的溫度不足和溫度過高,都會殘留一部分片狀珠光體,使冷加工變形能力顯著下降,影響坯料的表面質(zhì)量,甚至造成表面冷擠壓開裂。球化硬度偏高,表面脫碳層超標,晶粒粗大等缺陷同樣會影響坯料的表面質(zhì)量。

        (5)表面處理 磷皂化是對坯料表面處理的一項重要措施,不僅能提高坯料防銹能力,且在磷化處理過程中,坯料表面形成微孔,能夠儲存一定量的潤滑劑,提高冷擠壓的材料形變效果,增強坯料表面精度,有效地減少變形時的摩擦阻力和變形抗力,延長模具壽命,提高冷擠鍛件的質(zhì)量。

        (6)冷擠加工 是一種采用模鍛生產(chǎn)技術(shù),進行批量生產(chǎn)精密鍛件,最行之有效的方法。這就要求模具整體結(jié)構(gòu)簡約,生產(chǎn)成本低。冷擠壓工藝擠壓力和工作行程大,所需變形能量大,模具型腔必須精度高,導(dǎo)流性好。冷擠壓時,僅靠模具立柱和套管導(dǎo)向是不能滿足要求的,必須加強冷擠壓機床的床身和軸輪剛性。同時模具材料也應(yīng)具有較高強韌性,保證使用壽命長。模具結(jié)構(gòu)互換性好,模板才能容易更換。工作時按不同零件或不同變形程度,所需能量進行調(diào)節(jié),以便經(jīng)濟合理地使用設(shè)備,同時也有利于提高模具壽命。冷擠壓機床設(shè)備,應(yīng)具備超載保險安全防護裝置。

        3.設(shè)備選型

        (1)冷擠壓加工工藝 目前成形的方法主要有兩種。一種是選用模具法,另一種是選用設(shè)備法,兩種方法相比較,選用設(shè)備法生產(chǎn)的產(chǎn)品精度更高,模具的使用壽命更長,整個過程中生產(chǎn)加工的成本更低。

        選用模具法:在冷擠壓設(shè)備上,采用通用模架和可互換的模具鑲塊,構(gòu)成可拆分的模具組合結(jié)構(gòu)裝置。這種方式進行冷擠壓生產(chǎn)加工,具有充分利用機床設(shè)備利用率,模具制造費用不高,生產(chǎn)周期短及生產(chǎn)效率高等優(yōu)勢。但模具結(jié)構(gòu)一般較復(fù)雜,出模率可靠性較低,并且難以調(diào)整。同時機床設(shè)備能量與設(shè)備剛性,一般均不適合冷擠壓變形的需要,不適合大批量生產(chǎn)的要求。目前國內(nèi)大多數(shù)冷擠壓件,小批量生產(chǎn)時仍沿用這種方式。

        選用設(shè)備法:冷擠壓要求設(shè)備強度高及能量大,且要有雙向滑動結(jié)構(gòu),上下端面同時出料的裝置。此工藝的模具設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單,模具通用件較多,互換比較容易,出料可靠并且方便快捷,而且設(shè)備易于調(diào)整,模具壽命顯著提高。雙向滑動的冷擠壓設(shè)備,分機械式和液壓式兩種形式,前者適合中小型件的冷擠壓加工,后者適合大型件的冷擠壓加工。但兩者對下料精度允許的誤差要求不一樣,機械式壓機對坯料重量誤差要求較高,模具設(shè)計不當時,易損壞模具,而液壓式壓機可通過設(shè)定壓力噸位,能夠達到保護模具的作用。

        (2)拉桿式雙動壓力機冷擠壓 目前還很少有專用于冷擠壓加工,雙動機械式和液壓式壓機,但一些工廠采用拉桿式雙動壓力機作為冷擠壓設(shè)備。發(fā)達工業(yè)國家均已采用專用雙動冷擠壓設(shè)備生產(chǎn)汽車齒輪產(chǎn)品,這類設(shè)備的生產(chǎn)效率高,模具制造簡便,有利于大批量加工。本公司生產(chǎn)汽車及摩托車冷擠壓配件,年保有生產(chǎn)量達300萬件,批量較大。冷擠壓加工工序是關(guān)鍵工序,需采用專用雙動冷擠壓設(shè)備生產(chǎn),有效地保障批量生產(chǎn)及產(chǎn)品質(zhì)量。

        目前本公司使用的雙動冷擠壓液壓機床,設(shè)備生產(chǎn)工藝及技術(shù)能力的主要技術(shù)參數(shù)為:①工作油缸。為了保證冷擠壓產(chǎn)品的表面精度和齒面密實,冷擠壓機床的使用壓力,可以在1~10MN范圍內(nèi)調(diào)整。機床設(shè)備的最大行程控制在300mm左右。模具整體的閉合高度為1000mm。根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍的要求,工作速度在100~300mm/s之間。為了提高生產(chǎn)率,冷擠壓機床在一個工作周期后,其回程速度達300mm/s。②擠壓油缸。在冷擠壓過程中,經(jīng)常有鍛件擠壓不密實的問題,這就需要保證擠壓油缸的工作壓力,應(yīng)使擠壓油缸的工作壓力維持在1~10MN范圍內(nèi)。拉桿的行程直接影響產(chǎn)品尺寸,拉桿的行程必須在90mm以上。根據(jù)設(shè)備的使用要求,油缸加壓速度應(yīng)維持在20~40mm/s之間。擠壓油缸的回程速度也不能過低,也應(yīng)達到100mm/s以上。③頂件油缸。冷擠壓機床的頂件油缸,是為了保證產(chǎn)品出料速度,上下頂件的預(yù)應(yīng)力,應(yīng)能分別達到300kN和1000kN。拉桿行程應(yīng)可以調(diào)整,根據(jù)工件尺寸,拉桿行程調(diào)節(jié)在5~90mm。頂件速度相對來說應(yīng)慢一些,正常保持在50mm/s最為合理。為提高生產(chǎn)效率,回程速度應(yīng)該快一些,也應(yīng)達到100mm/s以上。

        該設(shè)備自動化程度較高,能夠自動編制計算機程序,并且安裝有各種數(shù)據(jù)顯示裝置,以便及時調(diào)整機床參數(shù),使冷擠壓產(chǎn)品的質(zhì)量更加穩(wěn)定。根據(jù)產(chǎn)品零件的大小及形狀要求,預(yù)先設(shè)定壓力值。既能經(jīng)濟合理使用設(shè)備,又有利于提高模具壽命,另外還配有自動分料、送料、取料裝置,極大地提高生產(chǎn)效率。

        4.設(shè)計改造

        (1)鍛坯產(chǎn)品精度,由熱精鍛8DC級以下提高到7DC級以上。齒面粗糙度值由Ra=6.3μm降到Ra=1.6μm。鍛坯產(chǎn)品金相組織和力學(xué)性能,均得到很大程度的提高。晶粒度由原來5級提高到7級以上。同時避免了因熱模鍛冷速過快,形成粒狀貝氏體等非平衡組織帶來的組織遺傳,消除了組織粗大的隱患。工件表面杜絕了氧化脫碳現(xiàn)象,能夠使后期滲碳淬火處理的產(chǎn)品得到質(zhì)量保證。

        (2)采用冷擠壓加工工藝,顯著減少制坯程序,可使模鍛工序由原有的4道程序,減少到現(xiàn)在2道程序,同時省去了粗切削加工工序。冷擠壓生產(chǎn)效率在原有基礎(chǔ)上提高了5倍以上,勞動生產(chǎn)率得到大幅增長。材料利用率進一步提高,齒輪產(chǎn)品零件材料利用率,由原來熱模鍛工藝60%左右,提高到冷擠壓工藝80%以上。

        (3)熱模鍛模具受急熱急冷交變熱應(yīng)力影響,極易造成熱疲勞開裂和磨損失效。毛坯氧化皮及變形時金屬強烈流動,對熱模鍛模具的磨損非常嚴重,模具壽命較低,每只模具只能加工工件8000件左右,而冷擠壓過程中模具溫度保持在200℃以下,模具散熱基本平衡,模具壽命得到提高,每只模具均能加工工件達2萬件以上。

        (4)熱精鍛產(chǎn)品的表面質(zhì)量及組織性能都比較低,只能用于拖拉機、農(nóng)用機械等產(chǎn)品,其附加值較低。冷擠壓產(chǎn)品由于精度得到大幅提高,適合汽車產(chǎn)品的高性能要求,其附加值也較高。按年產(chǎn)量300萬件計算,初步估算平均每只齒輪價格高10元以上,可增創(chuàng)利稅達3000多萬元以上。

        (5)通過在專用冷擠壓設(shè)備,采用可拆分模具進行冷擠壓加工,對汽車齒輪產(chǎn)品的改造設(shè)計,產(chǎn)品質(zhì)量明顯提高,經(jīng)濟效益顯著增長,其高附加值帶來的直接經(jīng)濟效益非常可觀。

        5.問題改進

        (1)熱模鍛生產(chǎn)中,一般采用熱軋棒料,其橫截面偏差的平均值為5%以上,而冷擠壓產(chǎn)品對毛坯精度要求高,同時對下料鋸床本身的精度、鋸切時棒料定位精度有很高要求。若嚴格滿足冷擠壓對毛坯精度的要求,必然導(dǎo)致鋸床下料難度的增加,以及加工生產(chǎn)成本的提高。因此要想節(jié)約成本,就必須從管理上下功夫,節(jié)能降耗,精益生產(chǎn)。

        (2)冷擠壓加工毛坯的體積大于鍛件體積時,多余金屬分流問題,目前主要有兩種解決方式:一種是模具上方設(shè)分流腔,另一種是在鍛件高度方向允許有較大的偏差。但前者增加了模具的復(fù)雜性,后者不適合在曲軸壓力機上使用。這就需要毛坯精度一定要達到規(guī)定要求,同時還要求模具設(shè)計的合理性,冷擠壓機床性能的穩(wěn)定性,機床保證有足夠的壓力。

        (3)冷鍛預(yù)成形工序的設(shè)計問題,大多數(shù)冷擠壓件,一般大都是采用一次成形,只有少數(shù)復(fù)雜零件,或受設(shè)備工作條件限制,需冷鍛預(yù)成形的工序。但事實上,冷擠壓次數(shù)和工序間半成品尺寸大小,是根據(jù)允許變形的擠壓變形程度確定,否則毛坯一次變形量太大,單位應(yīng)力太大,金屬流變引起的組織溫升,使鍛件整體溫度不均勻,影響產(chǎn)品精度和內(nèi)在質(zhì)量。工序設(shè)計同時還涉及到原始毛坯尺寸大小,使用設(shè)備性能,模具抗疲勞性能及壽命等方面。冷鍛預(yù)成形工序過多,生產(chǎn)效率下降,成本就會成倍增加。

        (4)模具壽命與冷擠壓工藝制訂有關(guān)。同時與模具結(jié)構(gòu)及材料選用,潤滑系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)等因素有直接關(guān)系。冷擠壓過程中,模具受到的擠壓應(yīng)力,導(dǎo)致模具型腔磨損及開裂的疲勞失效。模具壽命往往偏低,不利于降低生產(chǎn)成本及提高勞動生產(chǎn)率。為此,冷擠壓工藝要在生產(chǎn)中普及和推廣,首先要解決專用冷擠壓設(shè)備的性能問題,然后是模具材料處理及模具使用壽命問題。對于生產(chǎn)設(shè)備問題,應(yīng)采用專用液壓機,由于液壓機床的穩(wěn)定性,使模具壽命顯著提高。

        (5)目前冷擠壓用國產(chǎn)系列液壓機上,需要通過使用一種簡易的成本不高的通用模具輔助裝置,達到專用雙動液壓機的效果。鍛壓設(shè)備制造廠家和廣大工程技術(shù)人員,都在進一步探索和研究。同時提高模具組織性能及使用壽命,除了在冷擠壓工藝及模具設(shè)計上充分考慮外,模具鋼材料性能的選用和處理,以及新型模具鋼材料的研制,也有待于我國冶金行業(yè)有關(guān)技術(shù)部門的進一步探索和發(fā)展。

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