电动工具电锤的偏心轴温挤压工艺及磨具设计模板.doc

电动工具电锤偏心轴温挤压工艺及磨具设计
1 偏心轴零件分析
偏心轴是电动工具电锤关键传动零件。在工作时承受巨大冲击载荷，而且电锤工作环境恶劣、多粉尘，零件易磨损。采取温塑性成形工艺，能够提升工件精度，降低材料消耗，降低或部分取消机械加工。

图 零件三维造型图
偏心轴材料为40Cr。由头部、盘部、杆部三部分组成，为非对称结构零件。杆部细长，杆部和头部成非对称结构部署，盘部截面是非轴对称截面。从零件结构上看，头部和杆部全部由一个粗大部分和杆子组成，形状细长而狭窄，其长度显著大于其它尺寸。因为零件各个截面积差较大，故可考虑采取挤压工艺。
该零件选择材料为40Cr，此钢抗拉强度和屈服强度比对应碳素钢高20％，并含有良好淬透性，良好切削加工性能。

2 工艺方案分析

即：下料---镦粗---退火---表面处理---润滑---冷挤压预成形---表面处理---润滑---加热---温挤压

3 冷挤压预成形

图 预成形件三维造型图

4 温挤压前润滑
温挤压前或工序之间不需要进行软化退火处理，只需进行表面处理及润滑，其中表面处理可参见冷挤压。
当挤压温度在250℃以上时，采取冷挤压时润滑方法，会使磷化层和皂化层烧毁，使润滑条件恶化，所以，在温挤压时，对润滑剂有更高要求。
采取水剂石墨（成份：石墨、二硫化鉬、滑石粉、纤维素和水）为润滑剂。挤压前将坯料作喷砂或抛丸等处理，清理锈迹、污垢等。然后加热至200℃左右，出炉浸入水剂石墨润滑剂中，快速捣匀，吊起沥干残液，在干燥处摊开晾干。干燥后坯料即可进行加热、挤压。浸涂润滑剂后坯料表面必需留有0.03～0.1mm厚薄膜，呈黑炭色，并有显著黑灰色小点；若不然必需重新浸涂。

5 加热
成形温度是温挤压工艺能否顺利进行关键原因。确定温挤压成形温度标准是：
(1) 选择在金属材料塑性好，变形抗力显著下降温度范围。
(2) 选择在金属材料发生猛烈氧化前温度范围，以确保在非保护性气氛中加热时氧化极微。
(3) 选择润滑剂能达成最小摩擦因数，不因高温或低于其使用温度而失效。
(4) 选择在金属材料成形后能强化和不改变其组织结构温度范围。

图 40Cr温度－强度曲线

伴随温度升高，塑性指标上升，但存在两个“低谷”，分别在600℃和800℃。600℃即为40Cr“蓝脆”温度，在800℃出现金属塑性下降现象，称为“蓝脆”。钢挤压温度因在红脆温度以下，蓝脆温度以上。为满足挤压时对钢塑性要求，在温挤压高强度材料时往往选择在钢相变温度进行挤压。在相变区挤压，即铁-碳平衡相图Ac1和Ac3线之间挤压。此时，很多高强度钢及合金在相变区内正处于珠光体向奥氏体转变，塑性好，变形抗力小，有利于挤压成形。
温挤压时，10、15、20、35、40、45、50号钢和40Cr、45Cr、30CrMnSi、12CrNi3等碳钢和低合金结构钢，在机械压力机上温挤时，为650℃～800℃；在液压机上温挤时，为500℃～800℃。
40Cr温塑性变形温度通常在600℃～800℃之间，高于800℃时工件氧化变得猛烈，低于600℃时工件变形抗力快速增大。因为工件变形程度较大，故将温挤压温度定在750℃，在这温度下40Cr变形抗力为常温下15％，氧化极微。考虑到加热温度波动，最终将始锻温度定为750℃±20℃。
因为温挤压坯料加热时不得不出现严重氧和脱碳现象，对炉温控制正确性要求高，故尽可能采取电加热方法，如感应加热和电阻炉加热等。火焰加热仅限于煤气或天然气加热，通常情况不采取煤或油加热。
加热装置采取2500Hz、100kw中频感应加热炉。

6 温挤压成形
在冷挤压基础上将零件头部小凸杆和凸轮温挤压成形，以下图所表示：

图 成形件图

7 车加工
塑性成形后，因为挤压机械加工精度及零件尺寸公差无法达成图纸要求，部分尺寸需要进行切削加工至零件尺寸。

8 温挤压成形变形程度
成形件具体尺寸如上所表示。
因为温挤压时温度达成750℃，预成形件因为热胀冷缩体积会有所增大，现定坯料膨胀率为1％，则尺寸对应增大。
Φ28→Φ28.3mm；Φ8.5→Φ8.59mm。
εA=×100％≈90.8％
因为40Cr在700℃极限断面收缩率不得大于84％。伴随温度升高，极限断面收缩率呈线增大，显然在750℃时断面收缩率为90.8％是可行。
所以，成形件能够一次挤压成形。

9 温挤压力计算
温挤压力计算也采取图算法，参见文件[4]P1124。
依据断面收缩率εA＝90.8％，挤压温度750℃，查图（文件[4]P1124图12-14）得40Cr凸模单位挤压力p约为1700MPa。
实际挤压力：
F=pA ………………………………………………………………………（3.4）
式中，A是指凸模面积。
A＝凸轮面积－×8.592＝897.94mm2
∴ 温挤压力 F=pA=1700×897.94=1526.5KN

10 成形挤压设备选择
依据温挤压力1526.5KN，并取安全系数1.3，则液压机公称压力要求大于1984KN。
因为预成形工序中所用液压机公称压力为KN，故成形工序可采取同一台液压机，即，四柱万能液压机Y32-200。

11 模具结构设计
11．1 成形凸模尺寸计算
依据成形件形状设计凸模，因为零件上部有一个直径8.5mm轴，所以要在凸模上开一个孔，同时因为成形模使用是导向套进行导向，所以凸模和导向套之间有很高配合要求。
凸模成形直径8.5mm小轴部分工作尺寸按公式4.1计算。
Φ8.5±0.30→Φ8.6±0.30mm
→D凹＝(8.6- ×0.6)+0.06
＝Φ8.15+0.06 mm
成形凸模具体尺寸以下图所表示。

图4.4 成形凸模

因为凸模对抗压性能有很高要求，故选择材料：3Cr2W8V。3Cr2W8V是热作模具钢，含有较高变形抗力、耐磨性及断裂抗力，还含有高回火稳定性。热处理硬度要求达成HRC 48～52。
11.2 预应力圈组合凹模
因为温挤压时单位挤压力达成了1700MPa，故预成形模也必需采取三层组合凹模。
成形模组合凹模我选择d4=4d1，再依次算出其它参数。
d1=37 mm
d2=1.55d1=57 mm
d3=2.45d1=91 mm
d4=4d1=148 mm
μ2=β2d2 （β2=0.0106）
=0.0106×57=0.6 mm
μ3=β3d3 （β3=0.006）
=0.006×91=0.55≈0.6 mm
C2=δ2d2 （δ2=0.204）
=0.204×57=11.63 mm
C3=δ3d3 （δ3=0.12）
=0.12×91=10.92 mm
依据以上数据，能够设计出中套，以下图所表示。

图 成形模中套

中套和凹模和外套是过盈配合。中套材料必需含有足够强度和韧性两方面综合性能，因为是温挤压，这一材料还必需有较高耐热性，所以选择45或5CrMnMo，其淬火硬度为HRC40～45。而且要进行200℃低温回火以消除内应力。
依据以上数据，能够设计出外套，外套材料为40Cr，其淬火硬度为HRC40～45。
因为温挤压时必需对凹模进行冷却，故在外套上开冷却水道和水槽，加工时使用循环水进行冷却。
外套具体尺寸以下图所表示。

图 成形模外套

因为成形模使用导向套进行导向，导向套靠外套固定，因另外套加工时必需注意内部同轴度问题，外套内壁必需一次加工完成。
11．3 模具结构
图为温挤压成形模具装配图。模具闭合高度为432mm。
因为偏心轴为非对称零件，上、下模相对位置必需固定可靠，所以为了防转，在上、下模对应零件全部加了Φ6mm圆柱销，另外，凸模和凹模全部使用大螺母固定。

图 成形模总装图

模具在工作前必需充足预热，使用煤气喷灯加热，加热至200℃才能工作。
在温挤压时怎样使模具充足冷却，又不使坯料过分降温？是设计温挤压模具结构时必需认真考虑问题。尤其是在中高温温度下（500～800℃）温挤压成形，模具冷却系统设计显得尤其关键。合理冷却方法能够确保温挤压连续成形并有利于延长模具寿命。

12 模具材料及热处理
温挤压模具服役条件很苛刻，和热挤压相比，除了承受一样热应力外，还要承受比热挤压大得多单位负荷；和冷挤压工艺相比，即使温挤压模具所承受单位负荷要小多，不过成形时坯料热效应要远大于冷挤压，不加冷却话，足以使温挤压模具产生回火软化。所以，依据温挤压成形温度不一样，选择适宜模具材料及其热处理工艺，并在模具设计时重视模具冷却装置合理设计，即能充足发挥温挤压模具潜在寿命，确保挤压件质量和降低模具成本。
温挤压模具工作部分零件仍选择3Cr2W8V。3Cr2W8V锻后应立即进行退火，消除钢中残余应力，同时降低硬度有利于后道切削加工。热处理工艺是决定模具寿命关键工艺步骤。3Cr2W8V经过热处理淬火后，其韧性、高温强度和硬度及抗回火稳定性等全部有很大提升。
3Cr2W8V热处理工艺以下：
（1） 预热，温度范围为800℃～850℃；
（2） 淬火温度：1050～1100℃；
（3） 冷却：油冷；
（4） 回火：回火温度为600～630℃；
（5） 硬度：HRC49～52。