六凸面套筒头冷模锻工艺及模具设计

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1 概述
　　六凸面套筒是一种新型套筒扳手的关键组合件，按其形状属于轴对称通孔零件，但在端面上均布六个凸面，高度和宽度尺寸均为6mm，一端内孔呈方形中14×14mm，是用来与手柄（或接头）的方榫配合的一端。形状十分复杂，其开头及尺寸如图1所示。过去加工六凸面套筒头的工艺是：用直径￠26mm圆钢毛坯加热后模锻及在冲床上切边，然后再进行车、钻、铣、插等金属切削加工方法制得，其生产工序多而复杂，质量也不易保证，材料单耗及耗能均较高，生产效率较低，造成较高的生产成本。
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　　随着机械工业的迅速发展，冷模锻的应用愈来愈多。除了具有较高的精度以外，更迫切的是要解决复杂的形状，同时还要不断提高制件的内在质量，减少原材料的消耗及机械加工工时，提高生产率，促使降低产品成本。
　　冷模锻技术是近年来逐渐研制和推广应用的一项新型模锻工艺。其基本原理是在封闭的型腔中，采用上下两个模具对毛坯进行镦粗——挤压成形。它可使毛坯在锻压设备一次行程中获得利用第均显著提高。
2 工艺分析
　　六凸面套筒头零析材料为40Gr合金结构钢，其供应状态强度高、变形抗力大、塑性较差，具有加工硬化现象存在，难以进行大变形量的冷模锻成形工艺是完全可行的。
　　冷模锻成形工艺的成形尺寸精度可达IT7～IT8级，表面精糙度可达0.4μm～0.8μm以上。本六凸面套筒头的表面粗糙度为3.2μm,l因此，采用冷模锻成形工艺可满足该零件的技术要求。
　　六凸面套筒头冷模锻工艺的生产工艺过程是：下料→退火→冷模锻。整个金属塑性成形的特点是在单次进行有效的闭式冷模得到所需的制件形状及尺寸。
3 工艺设计[1][2][3]
　　冷模锻工艺设计是冷模锻设计工作的第一步，它的好与坏，直接关系到制件质量、成本、生产效率及模具寿命等。
3.1 冷模锻件图的制订
　　根据六凸面套筒头零件图及冷模锻工艺的基本要求，设计时应考虑解决下列问题：
　　（1）确定分模面位置 为使冷模锻件容易从模具中取出，并要求铙得镦粗挤压充填成形的良好效果，同时考虑到开模时制件留在下模，因此，按该零件的形状，分模面的位置应选择在最大的外径处，见图2中的A—A。
　　（2）余量、公差及余块 六凸面套筒头冷模锻后，其外形的尺寸精度及表面粗糙都已达到图纸上的技术要求，不需再进行机械加工，故就不再加入余量。由于中心孔径￠26mm和方形榫中14×14mm是通孔连接，但考虑到模具容易磨损，应加放余块，制成盲孔。考虑到下料毛坯的尺寸有公差，故在制件的一端高度加放1mm余量。其它尺寸的公差均在零件的公差范围内，其数据查阅手册。
　　（3）模锻斜度 为了使制件冷模锻后，易于从上模型腔中脱离而留在下模，因此在六个凸面的直边设有模锻斜度30′。该斜度也作为工作时容易插入相应的凹槽内。
　　（4）圆角半径 冷模锻件尖角处的圆角半径直接影响着冷模锻时的金属流动、型腔充满、冷模锻力、模具磨损和制件转角处流通线切断等。按该零件的尺寸查阅手册。
根据以上所得的数据，绘制出六凸面套筒头冷模锻件图，如图2所示。

3.2 毛坯尺寸的选择
　　在六凸面套筒头冷模锻件图（图2）中，其上端外径￠28mm之间选定一尺寸作为毛坯的直径。这一尺寸既能满足许用变形程度的要求，又要当作毛坯在模具型腔中的定位作用。根据这一设计原则，经所需的体积计算，选定直径为￠27.8mm，毛坯长度34mm。
3.3 变形设备的选择
　　冷模锻加工，可在专用的挤压机上，也可以在油压机上进行。冷模锻设备的工作方式和结构在很大程度上决定了生产率、工作精度通用性和生产的安全性。
　　一般说来，较高的滑块速度，必然带来较高的生产率。机械压力机和操作速度，通常比油压机高，这是它所具有的突出优点之一。它的缺点是滑快的速度是随着滑块的行程微量改变的，在行程的中间，速度最大，当滑块行至下死点时，速度减小到零。而油压机和优点是在全行程内提供不变的压力，它的缺点主要是一次工作循环时间较长，行程次数较少，生产效率低。

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根据本零件的形状及变形工艺的要求，可选用曲轴式机械压力机。该设备结构简单，工作行程和能量都较大，并且行程次数也很高，符合大批量的生产要求。
3.5 毛坯制坯处理
　　根据冷模锻工艺的要求，必需对毛坯材料进行制坯处理，它包括软化处理表面处理及润滑处理，其工艺介绍如下：
　　（1）软化处理 中高强度合金钢40Gr在供应状态下的硬度HB>217，材料晶粒粗大不均、塑性较差、变形抗力大，若不经软化退火处理而直接进行冷模锻，则成形困难，模具极易损坏。因此，为降低坯料变形抗力、提高塑性，在冷模锻成形前需对材料进行软化退火处理，其退火规范如图3所示。经软化退火后坯料硬度为HB150。

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　　（2）表面处理 表面是冷模锻工艺的一道关键工序，它的好坏对表面质量及模具寿命都有很大的影响。本毛坯采用磷化处理，其处理过程如下：
　　　　①清除表面缺陷；
　　　　②清理，去油，清洗；
　　　　③去除表面氧化层；
　　　　④冷水清洗；
　　　　⑤中和处理；
　　　　⑥冷水清洗；
　　　　⑦磷化处理，其化学配方及工艺如下：
　　　　氧化锌（ZnO） 9g/L
　　　　磷酸（H3PO4) 23mL/L
　　　　水（H2O） 1L
　　　　总酸度 16～20点
　　　　 游离酸度 2.5～4.5点
　　　　处理温度 85～95℃
　　　　处理时间 30～40min
　　（3）润滑处理 润滑处理的目的是使毛坯在冷模锻过程中，获得适合于塑性流动的变形条件，提供有足够韧性，能经受重压而不致损坏的润滑层，以降低模具载荷，减少磨损，延长模具使用寿命。本毛坯采用皂化处理，其配方及工艺如下：
　　　　硬脂酸锌（C17H35COONa） 5～９g/L
　　　　水（H2O） 1L
　　　　处理温度 60～70％
　　　　处理时间 10min
4 冷模锻模具设计[1][2]
　　冷模锻模具与其它加工模具相比，由于冷模锻时的单位很高，模具处于非常恶劣的条件下工作，故极易失效。因此，在设计冷模锻时应满足如下的主要要求：
　　（1）保证模具在恶劣的工作条件下，具有足够的强度和刚度，特别是工作部分应选择合理的几何形状采用强韧性很好的模具材料。
　　（2）模具的紧固应可靠，对中性能要好。
　　（3）模具的易损部分装拆方便。
　　（4）模具的方便而灵活的顶出装置。
　　（5）具有良好的导向装置。
　　在考虑上述设计的条件下，根据六凸面套筒头冷模锻件的具体形状及尺寸，设计了如图4所示的冷模锻模具结构。

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　　该模具结构分上下两部分。模具型腔是由上凸模3、上凸模镶块6、凹模7、顶圈镶块10及下凸模11组成。采用三层组合凹模，即凹模7、中加强圈8及外加强圈9。上模座1、下模座15的导向完全靠导柱17及导套18的尺寸精度予以保证。
　　六凸面套管头冷模锻工艺的工作过程是：经软化退火处理的合金钢40Gr毛坯放入凹模7中进行冷模锻。当滑块回程时，因制件16六个凸面上的模锻斜度30′再加上上凸模顶端的模锻斜度3°，所以冷模锻后的制作16是留在凹模7内，在滑块继续回程中，通过压力机的顶杆、顶出杆13及顶圈镶块10将制件16顶出，才能取出制件16。
5 结论
　　在当今手工具迅速发展及广泛应用情况下，追求产品价格及质量的竞争日益剧烈。采用先进的冷模锻成形技术是一顶行之有效的最佳途径，它既能提高产品质量及材料利用率，又可明显减少机械加工工时，从而大大降低了产品成本，经济效益显著。