一种新型的冷挤压工艺
吴光明
【摘 要】针对轴端双向异形孔零件的加工,研发了一种新型的冷挤压工艺及设备.对零件进行了有限元分析,并详细介绍了设备的结构和工作原理,有效解决了传统工艺中存在的各种问题. 【期刊名称】《模具制造》
【年(卷),期】2017(017)010
【总页数】6页(P56-61)
【作 者】吴光明
【作者单位】东莞市高技能公共实训中心 广东东莞523000分集水器
【正文语种】酸雨采样器中 文
【中图分类】TG372
轴端双向带有异型孔的轴类零件广泛用于各个工业领域，如各种尺寸的传动轴、连接轴等，如图1所示，这类轴类零件对强度、硬度和精度等方面有很高的要求。
加工带有异型孔轴类零件的方法有很多。但能够成熟使用的方法主要有两种：机械加工和冷挤压成形。采用机械加工的方式，一方面会切断材料的纤维流线而减弱零件的承载能力；另一方面机械加工主要采用的拉床进行加工只能加工异型通孔。
冷挤压成形加工则有效地避免了机械加工的不足，可以加工非通孔的异型孔。此外，冷挤压技术作为一种先进的塑性加工工艺，具有材料利用率高，生产效率高，加工件力学性能好，尺寸精度高，表面加工质量好，工序少，生产周期短等优点。 目前，市场上的异型孔冷挤压机大多是针对大孔径的孔进行加工，加工精度不高，并且需要多次冲压才能加工出符合要求的孔。此外，机器大部分都是单向工作的，如果需要加工两端都是异型孔的零件的话，需要加工完一端然后取出，再加装凸模和凹模再进行另一端异型孔的加工，加工效率低下。
针对这些问题，研发了一种新型的异型孔冷挤压工艺。
液化气燃烧器2.1 仿真模拟前处理
首先建立零件模型，如图2所示。将对称体进行对称划分，分析其中的一部分。在本例中，取这个模型得1/2作为模型，将其导入DEFORM-3D划分网格。细分局部网格，将网格的数量按照变形程度的大小进行合理划分。在变形剧烈的区域划分密集的网格，在变形舒缓的区域划分相对粗大的网格。网格的划分情况如图3所示。
由于在冷挤压成形过程中模具与坯料之间的摩擦剧烈，特别是方形凸模拐角处摩擦更为严重，需要对凸模的磨损做着重分析，因此凸模也应划分网格，同坯料一样设置对称面和热交换面。调入对应材料后，设凸模的硬度为62HRC。设凸模与坯料之间热传导系数设为0.004，摩擦因数设为0.12。模具磨损模型公式为：
式中 W——磨损量，mm
p——正压力，MPa
a，b，c——常数
K——材料特性相关系数
2.2 凸模磨损分析
凸模磨损情况是有限元分析的重点。挤压件材料为45号钢，须实现方孔成形，凸模的工作环境十分恶劣。模具的材料直接决定了模具的耐磨性，凸模材料选择硬质合金钢，硬度为62HRC。
凸模底部形状和冷挤压速度是影响模具磨损的主要因素。取3次冷挤压中的任意一个凸模作为分析对象。如图4所示，其中图4a为普通平底凸模的磨损情况，图4b为带平底的锥形凸模磨损情况。
从图4中可以看出，普通平底凸模的磨损主要发生在4个尖角且磨损量较大大约为0.00361mm，带平底的锥形凸模磨损最严重的区域均匀分布在四条边上，磨损量较小，大约为0.000198mm。由此可见，带平底的锥形凸模比普通凸模更加耐用。
血竭提取物挤压速度对凸模磨损量影响也很大，挤压速度10mm/s时凸模磨损量大约为0.000198mm，60mm/s时凸模磨损量大约为0.000707mm，如图5所示。
凸模磨损量与冷挤压速度成正比，冷挤压速度越大，凸模磨损量越大。为了提高加工效率越高，应采用较大的冷挤压速度，但速度过大会大大降低凸模的使用寿命，增加成本。综合考虑凸模寿命和加工效率，选择20mm/s。
2.3 后处理
后处理主要针对3次冷挤压结果的应力、速度和温度进行模拟分析。
（1）应力分析。
如图6a为第一次冷挤压结束时瞬间应力的分布情况，通过等效应力分布图我们可以看出，第一次挤压结束时，方孔口部成形逐渐结束，已加工区域为自由端，因此头部应力逐渐减小到零，最大应力出现在方孔成形部位应力约为911MPa，工件底部应力大小为600MPa左右，还不足以使45号钢发生二次形变。第一次冷挤压结束时进给量为4.8mm。第一次冷挤压结束时工件的模型如图6b所示。
图7 为第二次冷挤压结束时瞬间应力的分布情况。第二次挤压结束时，最大应力出现在方孔成形部位大小为923MPa。已加工区域为自由端，因此头部应力为零，工件底部的应力也相应增加，第二次冷挤压结束时工件的模型如图7b所示。
图8 a为第3次冷挤压结束时瞬间应力的分布情况，挤压结束时，最大应力出现在方孔成形部位大小为914MPa。第3次冷挤压结束时工件的模型如图8b所示。
通过3次冷挤压模拟可以看出，每次冷挤压结束时，等效应力最大值都发生在方孔成形处大小保持在900MPa左右，基本保持稳定的加工环境。
（2）速度分析。
3次挤压的速度都取20mm/s，所以只用截取其中一次的速度进行分析，如图9所示。从图9中可以看出方形孔成形处的材料流动速度为20.1mm/s，与凸模下行速度相等，其余地方材料流动速度为零。
（3）温度分析。
图10a、图10b、图10c为3次冷挤压即将结束时温度的分布情况，第一次冷挤压结束时温度最低，因为此时加工区域靠近零件边缘散热较好。第3次冷挤压产生的热量最大，热量聚集在一个狭小空间中扩散较慢。导致成形结束时的瞬间胚料的中心温度最高达到206℃。该温度只是一个瞬间温度，成形结束后温度将会迅速下降，因此该温范围度内不会对凸模及零件产生较大影响。
通过仿真、后处理中的应力、速度、温度分析都可以看出，此套方案是可行的。凸模材料硬质合金钢，硬度62HRC，凸模为带平底的锥形凸模，进给速度为20mm/s。
3.1 设备结构
双向异型孔冷挤压成形设备如图11、图12所示。
（1）工作台组件。
工作台组件包括机座、自动进料装置、出料口、导轨和触摸显示屏等部件组成。所有零件都固定在机座上。3组液压缸与3条导轨滑动配合，第4、第5导轨与两个检测工位配合。进料装置和出料口分别在左右两侧悬挂安装。自动进料装置由气缸、推杆、栅门组成，工作
原理：第一步气缸控制栅门将工件从料盘低推到料盘口处，在重力作用下工件滚到“L”型挡块处，此时由另一个气缸带动推杆将工件推到机械手夹取的位置等待机械手夹持。
（2）液压缸组件。
液压缸组件包括3组液压缸，共6个，固定在进给导轨上，实物图13所示。液压缸组安装固定在机座上，活塞杆通过锁紧螺母与凸模连接，凸模通过凸模导块进入工作区域，凸模导块同样通过导轨固定连接在机座上。
（3）机械手组件。
dcdc电路机械手组件包括两条横向的导轨、4条竖直的导轨、两个气压缸组、6个机械手。机械手组件实物图如图14所示，机械手部件全部通过一个机架固定在机座上。横向导轨和竖直导轨相互垂直，通过横向导轨实现左右移动，通过竖直导轨实现上下移动。在加工时，两个气压缸组作用于机械手，实现固定夹紧的功能。
3.2 设备工作原理
加工工件时，首先，由液压缸控制所有凸模复位，机械手同样回归初始位置。
首先，由机械手1从料盘中夹取工件夹紧固定在工位1上，双向液压缸开始工作进行第一次冷挤压。以一个带方孔的轴类零件为例，所要加工的方孔为15mm深，分3次进行冷挤压，在第一工位上加工后的零件如图15所示。
当第一次加工完成后，机械手1松开零件1，由于机械手1、2、3是固接的距离是固定的，所以当机械手1去料盘夹取零件2到工位1时，机械手2同时也夹取零件1到工位2。在第2工位上加工的零件如图16所示。
此次加工工序完成后，机械手1去料盘夹来下一个零件，之前的零件依次被夹持到下一个工位进行加工。在第3工位上加工的零件如图17所示。
依次完成3次冲压，同时对3个工件进行冲压加工。液压缸上的位置传感器可以精确控制每次的进给量，不会因为某次冲压力过大或进给量过大而使工件报废，大大降低了工件的废品率。
雨棚信号灯当工件在第3个工位上加工完成后，在第一个机械手2夹取第4个工件到第1个工位，第4个机械手夹取已完成的第1个工件放置在检测工位上，通过光电传感器测量所加工的异性孔深
度是否符合加工要求。若符合加工要求由第6个机械手直接夹取放置在正品区，如不符合加工要求由第5个机械手放置在废料区。完成一个工件的加工检测过程。
（1）以冷挤压技术为基础提出一种分3次进行冷挤压的新型冷挤压工艺，可以有效防止加工进给量过大导致零件开裂，或因加工区域温度过高而导致的材料性质改变。采用3次分步挤压的方式，并将3次挤压设置为3个工位，以一种流水线式的方式进行加工。这种工作方式极大的提高了加工效率，同时能很好的避免工件开裂的现象。
