冷擠壓柱塞加工

發(fā)布日期:2011-11-25    蘭生客服中心    瀏覽:4144

 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)是摩托車的心臟,有人稱化油器為摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的心臟,而柱塞又是柱塞式化油器的心臟。因此,作為化油器心臟的柱塞,其材質(zhì)的選用、工藝方法、表面處理水平,對化油器總成的性能有直接影響。本文就是對一種新工藝方法——冷擠壓柱塞的研制成果進(jìn)行簡單的總結(jié),與同行們共同探討。 

1 冷擠壓柱塞的研制 

    工業(yè)發(fā)達(dá)的日本,摩托車化油器柱塞早就全部采用冷擠壓毛坯和表面硬質(zhì)陽極氧化工藝。其毛坯材料的化學(xué)成分如表1所示。表面處理后,硬度HV>440。 

    要提高國產(chǎn)化油器柱塞的設(shè)計(jì)水平,我們對原材料的選用和成形方法、機(jī)加工和表面處理工藝進(jìn)行了探索與研究。 

    1.1 柱塞成品所需的工藝過程 
    由于柱塞是化油器總成中的關(guān)鍵零件,其形狀較為復(fù)雜,精度要求高。因此,它的生產(chǎn)過程較長,其大致的工藝過程為:原材料選用冷擠壓毛坯機(jī)械加工表面處理。 

    1.2 材料的選用 
    為了加快試制進(jìn)程,按照日本柱塞材料的化學(xué)成分,我們選取了兩種與之相近的鍛鋁進(jìn)行試制,其化學(xué)成分如表2所示。這兩種鍛鋁的變形抗力較小,塑性好。我們與鋁材廠共同設(shè)計(jì)模具,專門配制,使毛坯用料的表面質(zhì)量和尺寸精度都符合設(shè)計(jì)要求。 

    1.3 冷擠壓毛坯 

    柱塞的冷擠壓工藝,在我國的化油器行業(yè)中是一項(xiàng)新工藝,無成功的先例。因此,柱塞的冷擠壓工藝的成敗,直接決定著冷擠壓柱塞研制工作的成敗。  

    1.3.1 檢查材料  

    每批訂購的材料應(yīng)抽查化學(xué)成分、表面質(zhì)量和尺寸。符合要求的原材料才能投入生產(chǎn)。  

    1.3.2 切斷  

    由于毛坯用料為實(shí)心的棒料,切斷前先計(jì)算坯料長度。毛坯的體積按體積不變條件計(jì)算,并應(yīng)加上修邊量,即  

    V0=Vp+Vs      (1)  

    式中:V0為毛坯體積,mm3;Vp擠壓件體積,mm3;Vs為修邊量體積,mm3。一般情況下,Vs取Vp的3%~5%。  

    毛料的切斷長度為  

    h0=V0/A0     (2)  

    式中:h0為坯料長度,mm;A0為坯料橫斷面積,mm2。  

    1.3.3 去毛刺  

    去除坯料切斷時(shí)產(chǎn)生的毛刺。  

    1.3.4 軟化處理  

    為了降低毛坯的變形抗力,提高塑性,改善組織,細(xì)化晶粒,使坯料易于冷擠壓,在冷擠壓前進(jìn)行軟化處理。具體的退火規(guī)范為:410℃±10℃,保溫4h,隨爐冷卻到150℃。檢測軟化處理前后的硬度結(jié)果:處理前坯料硬度為HB68~72;處理后坯料硬度為HB38~40。  

    1.3.5 涂潤滑劑  

    冷擠壓時(shí),單位擠壓力很大。涂潤滑劑可減少擠壓力, 
使金屬流動(dòng)性好,擠壓壁厚均勻,卸料力小,提高冷擠壓件的表面光潔度。使用潤滑劑為硬脂酸鋅粉。使用方法:將坯料清洗干凈,與粉狀硬脂酸鋅粉一起放在滾筒內(nèi)滾動(dòng)15min,使毛坯料牢固而均勻地涂上一層硬脂酸鋅。  

    1.3.6 冷擠壓毛坯  

    冷擠壓就是金屬坯料放入模具腔內(nèi),在強(qiáng)大的壓力和一定的速度作用下,迫使金屬從模腔中擠出,從而獲得所需形狀、尺寸以及具有一定的力學(xué)性能的擠壓件。顯然,冷擠壓是靠模具來控制金屬流動(dòng),靠金屬體積的大量轉(zhuǎn)移來形成零件毛坯的。  

    采用冷擠壓工藝,可以降低原材料消耗,材料利用率高達(dá)80%~90%;冷擠壓是在壓力機(jī)上進(jìn)行的,壓力機(jī)的一次行程就可以完成簡單零件的成形。因此,與切削加工相比,生產(chǎn)率可以大幅度提高,生產(chǎn)成本也大為降低。在冷擠壓過程中,金屬材料處于三向不等的壓應(yīng)力作用下,擠壓后金屬材料的晶粒組織會(huì)更加細(xì)小而密實(shí);金屬流線不被切斷,而是沿著擠壓件輪廓連續(xù)分布(如圖2);同時(shí),由于冷擠壓利用了金屬材料經(jīng)冷加工而產(chǎn)生加工硬化的特性,使冷擠壓件的強(qiáng)度大為提高。

    1.3.6.1 冷擠壓毛坯圖的設(shè)計(jì)  

    根據(jù)產(chǎn)品圖的設(shè)計(jì)要求,同時(shí)考慮盡量減少加工余量和不需要加工的原則。  
  
    由于柱塞的形狀不算太復(fù)雜,且用塑性好的鍛鋁進(jìn)行冷擠壓,因此按一次擠壓成形的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。 
  
    驗(yàn)算斷面縮減率:  

    εA=(A0-A1)/A0×100%=d12/d02×100%=  
    132/17.72×100%=54%  

    未超過許用斷面縮減率的75%~90%,因此,可以一次成形。  

    零件上半部的內(nèi)腔,可以考慮按照不用切削加工的方式,直接由沖頭的形狀與尺寸精度來保證。而零件下半部的內(nèi)腔及外圓精度要求較高,必須留有余量,最終由切削加工來保證。在長度方向上也應(yīng)給出金屬流動(dòng)的變化范圍,由切削加工來達(dá)到成品的精度要求。 

    1.3.6.2 冷擠壓模具的設(shè)計(jì)  

    冷擠壓時(shí)的單位壓力很大,模具必須經(jīng)得住靜態(tài)高壓,經(jīng)得起沖擊,經(jīng)得住毛坯與模具接觸面的摩擦,同時(shí)還要經(jīng)得起疲勞。因此,為了確保模具的正常工作和使用壽命,冷擠壓模具應(yīng)具有如下一些特點(diǎn)。  

    a.工作部分的材料應(yīng)具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性、一定的韌性以及良好的熱應(yīng)性、熱穩(wěn)定性、耐熱疲勞性等性能。  
    b.模具工作部分的過渡處皆應(yīng)采用光滑的圓角過渡,以防止產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中而開裂,造成模具的早期失效。  
    c.模具工作部分與上、下底板之間一定要有厚實(shí)淬硬的壓力墊板,以緩和從凸模凹模傳來的超高壓力,防止壓壞上、下底板。  
    d.為了提高模具的工作部分的強(qiáng)度,冷擠壓凹模一般不采用整體式結(jié)構(gòu),而采用加預(yù)應(yīng)力的組合式結(jié)構(gòu)。  
    e.下底板采用具有足夠厚度的中碳鋼經(jīng)鍛造制成,以保證模具具有較高的強(qiáng)度和剛性。   

模    套(凹模):決定著毛坯的外圓尺寸精度,內(nèi)表面必須光滑(Ra0.4μm),以便于沖壓成形,有利于毛坯材料的流動(dòng)。同時(shí)可防止退料時(shí)不被卡死。  

    上沖頭(凸模):柱塞的內(nèi)腔形狀(不要機(jī)加工)完全由上沖頭保證,設(shè)計(jì)和制作時(shí)要保證光滑和足夠的強(qiáng)度,防止沖壓時(shí)的斷裂現(xiàn)象。  

    下沖頭(反向凸模):主要起柱塞下端成形和退料作用,表面同樣要光滑,并有足夠的強(qiáng)度。  

    以上3個(gè)關(guān)鍵零件在沖壓時(shí)要承受巨大沖擊力,因而其制作精度和強(qiáng)度非常重要。材料選用模具鋼Cr12MoV,淬火硬度為HRC60~62,精磨后用拋光方法保證表面光滑。  

    冷擠壓模是屬于無導(dǎo)向裝置的冷擠壓模,凸模的導(dǎo)向精度靠壓力機(jī)的導(dǎo)軌精度來保證。試制時(shí),設(shè)計(jì)一個(gè)專用的對模套,將上沖頭與凹模的中心精心調(diào)整重合,再將下底板緊固于工作臺上。這種結(jié)構(gòu)調(diào)整難度大,且由于機(jī)床導(dǎo)軌的精度而影響擠壓件壁厚的一致性。為了克服這種缺陷,在試制時(shí),我們對另外幾個(gè)產(chǎn)品擬設(shè)計(jì)成導(dǎo)柱導(dǎo)套導(dǎo)向的冷擠壓模具。  

    a.計(jì)算擠壓力。  

    用理論計(jì)算法求得冷擠壓時(shí)的單位擠壓力的精確值是比較困難的。目前只能尋求近似解。在生產(chǎn)實(shí)際中,估算單位擠壓力一般采用如下數(shù)據(jù)。硬鋁擠壓:1000~1500MPa。由于斷面縮減率εA=54%,變形程度屬中間偏上,因此單位擠壓力取P=1400MPa,則擠壓力為  

    F=PA=P×π/4D2=  
    1400×π/4×17.72=344.5(kN)  

    b.選用壓力機(jī)。  
    根據(jù)計(jì)算的結(jié)果,再考慮充分的安全系數(shù),公司現(xiàn)有的630kN沖床可以直接采用,不用新的投資,能量有儲備。  
    對冷擠壓使用的壓力機(jī)應(yīng)提出如下一些特殊要求:能量要大,剛性要好,導(dǎo)向精度要高(特別是對于無導(dǎo)向的模具),要具備頂出機(jī)構(gòu)(可與模具配合使用),要有可靠的過載保護(hù)裝置,能提供合適的擠壓速度,F(xiàn)采用的標(biāo)準(zhǔn)型號的630kN沖床基本具備以上的一些要求,在試制中已滿足正常使用需要。  

    1.3.7 熱處理  

    為了減少冷擠壓件的內(nèi)應(yīng)力,并為后道工序的機(jī)械加工創(chuàng)造條件,現(xiàn)采用如下熱處理工藝。  
    a.加溫520℃±5℃,保溫3~3.5h,放入50℃~80℃的水中冷卻,冷卻時(shí)間在20s以內(nèi)。  
    b.加溫160℃±5℃,保溫8~8.5h。  

    2 機(jī)械加工  

    主要工藝流程為:粗磨外圓→平車一端面及倒角→平車另一端面及凹孔→柱塞加工專機(jī)(包括銑長導(dǎo)向槽、短斜面、拱高面、油針孔等)→精磨外圓→噴丸去毛刺。其中的關(guān)鍵工序如下。  
    a.磨外圓:以磨代車,提高了生產(chǎn)率,又提高了加工質(zhì)量(使用無心磨床)。由于鋁材表面較松軟,磨削時(shí)很容易粘砂輪而影響表面的磨削質(zhì)量。因此,磨削砂輪必須選用硬度較低、粒度中等、大氣孔的碳化硅(黑、藍(lán)都可以)砂輪。冷卻液用煤油(或柴油),沖刷效果非常好,可以防止粘砂輪現(xiàn)象。試制中,柱塞表面粗糙度可以達(dá)到Ra0.8μm的設(shè)計(jì)要求。  
    b.加工專機(jī):為確保加工精度的提高,減少尺寸的散差,擬引進(jìn)日本柱塞加工專機(jī)生產(chǎn)線。一次裝夾,多工位加工,生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量都得到充分的保證,加工的尺寸精度完全可以控制在設(shè)計(jì)精度以內(nèi)。  
    c.噴丸去毛刺:主要是將加工毛刺去除干凈,可提高零件的表面光潔度,又可以為后面的表面硬質(zhì)陽極氧化創(chuàng)造有利條件(有毛刺會(huì)引起的電擊傷零件而造成廢品)。  

    3 表面硬質(zhì)陽極氧化處理  

    主要工藝流程為:除油→熱水洗→流動(dòng)清水洗→堿腐蝕→流動(dòng)清水洗→光亮零件→流動(dòng)清水洗→上掛具→純水洗→硬質(zhì)陽極氧化→流動(dòng)清水洗→下掛具→封孔處理→干燥。  
    主要處理?xiàng)l件為:純水1000L,硫酸170L,甘油32L,硝酸3L;電流設(shè)定為32A,處理時(shí)間為40~45min;溫度為-4℃±1℃。  
    氧化膜厚度:試制品經(jīng)測定為36~42μm。  
    表面硬度:樣品經(jīng)測定為HV400~440(平均水平為HV420)。  

    4 結(jié)論  

    冷擠壓工藝具有“高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低消耗”的優(yōu)點(diǎn),在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上有很高的實(shí)用價(jià)值。摩托車化油器冷擠壓柱塞的研制,從冷擠壓毛坯工藝、機(jī)加工方法的改善和表面硬質(zhì)陽極氧化工藝的實(shí)施,都是全新的嘗試。通過反復(fù)的工藝摸索,現(xiàn)已達(dá)到日本本田摩托車化油器柱塞的制造水平,為引進(jìn)產(chǎn)品的柱塞國產(chǎn)化探索了一條工藝途徑。

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