周燕妮， 束昊

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院，江蘇 徐州 221008；2.徐州重型機(jī)械有限公司，江蘇 徐州 221004）

0 引言

球面滑履是應(yīng)用在航空液壓泵上的一種零件，其結(jié)構(gòu)具有薄壁球面結(jié)構(gòu)特征，而且零件尺寸精度要求高，目前采用精密冷擠成形工藝，在軸向頂出脫模時(shí)零件成形表面受力不均勻，容易導(dǎo)致零件的局部變形，難以保證零件的尺寸精度，從而造成廢品率升高，增加企業(yè)的生產(chǎn)成本。本文介紹一種冷擠旋轉(zhuǎn)脫模方式，可以實(shí)現(xiàn)精密成形后球面滑履順利脫模，保證了成形件尺寸精度。

1滑履零件的工藝分析

滑履零件材料為錳黃銅，球面內(nèi)徑為φ17.5 mm，表面粗糙度為Ra1.25 μm，對(duì)擠壓成形精度的要求很高，由于該零件具有薄壁球面結(jié)構(gòu)，而且擠壓變形量大，因此擠壓球面回彈大，使擠壓件凹球面對(duì)模芯產(chǎn)生很大回彈正壓力如圖1所示，導(dǎo)致脫模時(shí)模芯與擠壓件球面接觸面摩擦阻力很大[1]，當(dāng)采用頂套進(jìn)行軸向脫模，頂出力很大，可能會(huì)使滑履與頂套接觸薄壁端口發(fā)生嚴(yán)重變形，因此需要考慮采用新的脫模方法。

圖1 滑履軸向脫模

2 旋轉(zhuǎn)脫模原理

按照現(xiàn)代摩擦理論，模芯與成形件的球形接觸面摩擦力主要包括機(jī)械咬合力、分子黏合力和接觸面某些點(diǎn)發(fā)生焊合所產(chǎn)生的阻力[2]。利用模芯和擠壓件相對(duì)旋轉(zhuǎn)，可以明顯減小這3種摩擦阻力，再用頂桿或壓板實(shí)現(xiàn)軸向脫模使模芯和擠壓件分離時(shí)，脫模阻力會(huì)大大減小，脫模會(huì)變得容易。模芯旋轉(zhuǎn)主要通過(guò)模芯的外螺紋和模芯旋套的內(nèi)螺紋配合的螺旋傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)，如圖2所示，頂桿2推動(dòng)模芯旋套1向上運(yùn)動(dòng)，模芯旋套1通過(guò)螺旋副4將其向上的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為模芯6的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，要使模芯和擠壓件相對(duì)旋轉(zhuǎn)，只需螺紋升角γ足夠大，使推動(dòng)旋轉(zhuǎn)的圓周力Fτ大于模芯與成形件的壁面摩擦力ΣFf，因?yàn)橄掳寄Ｅc成形件外部接觸面積大于模芯與成形件內(nèi)部接觸面積，所以下凹模與成形件的摩擦力ΣFf1大于模芯與成形件的摩擦力ΣFf，這樣模芯旋轉(zhuǎn)不會(huì)帶動(dòng)擠壓件一起轉(zhuǎn)，通過(guò)模芯6的旋轉(zhuǎn)減小成形零件9的成形面與模芯6之間的3種摩擦阻力，隨著頂桿2不斷向上推動(dòng)模芯旋套1，模芯旋套1與模芯6的底端接觸后，將頂桿2的推力直接傳遞給模芯6，從而將成形零件9頂出凹模5，實(shí)現(xiàn)脫模。

3 旋轉(zhuǎn)脫模螺紋升角設(shè)計(jì)

3.1 球面回彈正壓力計(jì)算

球面回彈正壓力是計(jì)算滑履球面與模芯球面相對(duì)旋轉(zhuǎn)摩擦力重要參數(shù)，首先用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)成形后的零件和模芯進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)分別擬合出零件直徑r1和模芯直徑r2與直徑和水平線夾角φ極坐標(biāo)方程，從而得出回彈變形方程為

根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系得出回彈正應(yīng)力σ=EN（φ）/r2，

式中，E為錳黃銅的彈性模量，110 GPa[3]。

由于σ隨φ隨增大而增大，球面積分時(shí)選擇一個(gè)與N（φ）變化相適合的微元體如圖3所示[4]。

圖3 積分模型

取微元體ds=2πrcos φ·

3.2 螺紋升角理論計(jì)算

式中：γ為螺紋升角；ρ為摩擦角；頂桿的頂出力Q為37.8 kN。

把已知參數(shù)代入受力公式得35.28tan(γ+ρ)=22.77，得出γ+ρ=32.8°。其中：ρ=arctan 0.1=5.7°；γ=27.1°。要使螺紋傳動(dòng)不能自鎖，要求γ>ρ，已滿足條件[6]。

3.3 最佳螺旋升角確定

考慮模具實(shí)際結(jié)構(gòu)，實(shí)際只需要把滑履半球與模芯相對(duì)旋轉(zhuǎn)5°，就可明顯減小滑履半球與模芯摩擦力，假設(shè)螺紋升角為λ，同時(shí)考慮螺旋傳動(dòng)受力均勻，采用四頭螺紋傳動(dòng)，根據(jù)螺旋傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)公式：

式中：n為頭數(shù)；P為螺距；s為導(dǎo)程；x為行程，d=17.5 mm。

4 旋轉(zhuǎn)脫模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖4所示，頂桿推動(dòng)推板向上運(yùn)動(dòng)，推板推動(dòng)頂桿A向上運(yùn)動(dòng)，頂桿A推動(dòng)模芯旋套向上運(yùn)動(dòng)，模芯旋套由于模芯旋套限位板限位，只能直線運(yùn)動(dòng)，不能旋轉(zhuǎn)，由于大升角螺旋配合，螺旋模芯旋套通過(guò)螺旋副將其向上的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為模芯的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)模芯與成形零件的相對(duì)旋轉(zhuǎn)消除成形零件的成形面與模芯之間的黏合力，隨著頂桿A向上推動(dòng)模芯旋套走5 mm行程，模芯旋套上的頂桿B推動(dòng)頂套向上走5 mm行程，此時(shí)頂套開(kāi)始與成形件接觸，由于滑履半球與模芯仍有殘余摩擦力，當(dāng)頂套推動(dòng)成形件向上運(yùn)動(dòng)殘余摩擦力會(huì)帶動(dòng)模芯一起運(yùn)動(dòng)，此時(shí)模芯由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化軸向運(yùn)動(dòng)，模芯隨頂套一起將滑履成形件頂出，當(dāng)滑履向上運(yùn)動(dòng)13 mm時(shí)，模芯由于模芯限位板13作用停止運(yùn)動(dòng)，頂桿B繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，頂桿B推動(dòng)頂套使滑履成形件與模芯脫離，從而完成整個(gè)脫模過(guò)程。

圖4 旋轉(zhuǎn)脫模機(jī)構(gòu)

5 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

工藝試驗(yàn)時(shí)應(yīng)小心地將模具裝配好，以保證冷擠件的尺寸精度。由實(shí)驗(yàn)得知：該脫模方法合理，可大大降低脫模阻力，能夠很好地保證擠壓件的尺寸精度，并有效保護(hù)模具。但是由于設(shè)計(jì)局限性和脫模機(jī)構(gòu)采用大升角螺紋傳動(dòng)，所以在試制過(guò)程中還存在一些問(wèn)題：1）螺紋牙磨損較嚴(yán)重，這是由于螺紋傳動(dòng)力較大，采用較好材料的W6Mo5V2代替原有的模具鋼40Cr，并加入油潤(rùn)滑，使螺紋牙磨損較嚴(yán)重得到較好改善；2）在頂出時(shí)，模芯在與模芯限位板配合處易發(fā)生折斷。下面對(duì)模型斷裂進(jìn)行詳細(xì)分析。

圖5 模芯斷裂圖

6 模芯發(fā)生斷裂分析

根據(jù)滑履冷擠壓實(shí)驗(yàn)獲得，軸向頂出脫模時(shí)，頂出力F為82.40 kN，如圖6所示可得。

圖6 模芯受力分析及結(jié)構(gòu)圖

模芯的最大危險(xiǎn)截面在模芯臺(tái)階圓角過(guò)渡處，而該截面內(nèi)的應(yīng)力集中系數(shù)ασ根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)D、d、R從1.5變化至2.5[7]。根據(jù)圖6所示，由計(jì)算可得形狀因子：D/d=15÷12.05=1.245，曲率半徑：2R/d=0.083。經(jīng)分析查表123-2得模芯臺(tái)階圓角過(guò)渡處承受彎矩和拉應(yīng)力時(shí)的應(yīng)力集中系數(shù)分別為αM=2.10，αF=2.25[7]。雖然最大拉（彎曲）應(yīng)力σA與拉（彎曲）應(yīng)力σ之比也受泊松比的影響，但因其影響較小，所以可以忽略不計(jì)。

由α=σA/σ得，最大彎應(yīng)力：σA1=αMσM=2.10×1997.7=4195.17 MPa; 最大拉應(yīng)力:σA2=αFσF=2.25×342.7=771.1 MPa，根據(jù)疊加原理模芯所受最大應(yīng)力σMAX=σA1+σA2=4996.24 MPa，而模芯（W6Mo5Cr4V2鋼）的抗彎強(qiáng)度σM為4000 MPa，因此模芯發(fā)生斷裂。

通過(guò)以上分析得知，模芯是由于結(jié)構(gòu)原因產(chǎn)生的偏心載荷和應(yīng)力集中共同作用而發(fā)生斷裂，因此對(duì)模芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，將其臺(tái)階過(guò)渡改為了錐面過(guò)渡，圖7所示。將模芯設(shè)計(jì)成錐面的優(yōu)點(diǎn)有：1）錐部應(yīng)力狀態(tài)為三向壓應(yīng)力，壓應(yīng)力阻止晶間變形，隨著三向壓應(yīng)力增大，晶間變形更困難，從而提高金屬塑性，而且三向壓應(yīng)力能抑制變形體微觀缺陷，抵消由于變形不均勻引起的附加拉應(yīng)力而防止裂紋產(chǎn)生，大大提高模芯的承載能力[8]。2）錐面配合使工作部位能簡(jiǎn)捷而可靠地固定在模架上，也利于中心定位，降低發(fā)生彎曲應(yīng)力的可能性。

圖7 模芯改進(jìn)結(jié)構(gòu)圖及應(yīng)力狀態(tài)

采用改進(jìn)后模型，最終將薄壁球面結(jié)構(gòu)的滑履零件一次擠壓成形，如圖8所示，尺寸和精度達(dá)到圖樣設(shè)計(jì)要求，而且該脫模機(jī)構(gòu)降低脫模阻力，能有效地保護(hù)模具。實(shí)踐證明，該脫模機(jī)構(gòu)宜于組織批量生產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

圖8 最終成形后滑履

6 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)球面滑履精密冷擠成形頂出脫模時(shí)，球面滑履端口可能會(huì)發(fā)生嚴(yán)重變形問(wèn)題進(jìn)行分析，因?yàn)樵摿慵淮纬尚?，成形球面變形量大，因此發(fā)生球面嚴(yán)重回彈，對(duì)模芯球面產(chǎn)生很大正壓力，導(dǎo)致軸向頂出脫模阻力大。同時(shí)由于頂出受力不均勻，從而使滑履端口發(fā)生變形，根據(jù)分析考慮采用旋轉(zhuǎn)頂出方式來(lái)消除模芯和滑履球面摩擦力進(jìn)行脫模。本文對(duì)旋轉(zhuǎn)頂出的脫模方法原理進(jìn)行分析，并計(jì)算重要參數(shù)螺旋升角，設(shè)計(jì)出合理旋轉(zhuǎn)頂出脫模機(jī)構(gòu)，最后通過(guò)工藝實(shí)驗(yàn)來(lái)證明旋轉(zhuǎn)頂出的脫模方式具有脫模阻力小、成形精度高等優(yōu)點(diǎn)，大大降低了廢品率，降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本，能有效保護(hù)模具，具有較高的實(shí)用價(jià)值。