45钢和35CrMnSi钢筒形零件旋压工艺.pdf

2023年 第9期 冷加工30工艺方案Technique Solution45钢和35CrMnSi钢筒形零件旋压工艺孟祥志，宋丽君，付广东，柳萌北方华安工业集团有限公司黑龙江齐齐哈尔161006摘要：对45钢和35CrMnSi钢两种不同材料的筒形零件旋压工艺进行设计与分析，通过合理的模具、毛坯设计，旋压出合格的产品，解决了传统车削加工方法效率不足及材料利用率低等问题。关键词：45钢；35CrMnSi钢；筒形零件；旋压；模具；旋轮1 序言随着新产品不断更新，产品的材料选择更多，对其尺寸精度的要求也越来越严格。某筒形零件是某型号产品的重要零件之一，为加工出满足客户要求的产品，打破传统车削加工方法，采用旋压加工。2 零件结构及加工要求某筒形零件（见图1）为台阶外形，旋压后的外径为67.8-0.04-0.114mm，大端外径为69.3 0-0.19mm，旋压后的内径为64.2+0.134+0.02mm，总长度为588mm，同轴度为0.08mm，精度要求较高。3 工艺分析由于零件左侧最小内径为45mm，小于右侧筒段内径，因此采用正旋方式，以左侧端为底，进行正向旋压。采用多道次减薄旋压1，通过设计零件外径为上限67.76mm和大端外径69.3mm，内径设计为中间值64.32mm，计算旋压后零件壁厚分别为1.72mm和2.49mm，属于薄壁筒形件，适合旋压成形，零件的材料为35CrMnSi钢和45钢，退火后塑性较好，满足旋压工艺要求。4 模具设计4.1 芯模设计芯模设计外径为64.27m m，预计扩径00.06mm。工件旋压后内径预计为64.2764.33mm。芯模表面粗糙度值设计为Ra=0.8m，成形后工件表面质量好。芯模采用冷作模具钢制作，硬度（602）HRC，耐磨性和刚性好，满足高强钢的旋压2。芯模采用螺纹方式锁紧工件，不采用尾顶。装配后的芯模如图2所示。图2装配后的芯模图1筒形零件2023年 第9期 冷加工31工艺方案Technique Solution4.2 旋轮设计筒形件强力旋压时，常用的旋轮型面有两种：双锥面旋轮和带光整角的台阶形旋轮。采用双锥面旋轮，尺寸参数主要包括：成形角、圆角半径r和退出角等。双锥面旋轮型面结构及实物如图3 所示。成形角一般选取2030。成形角过大会引起金属堆积。当筒坯材料为软质材料时，成形角30。旋压毛坯材料为35CrMnSi钢，塑性较好。模拟时旋轮成形角分别选取15、20和30。旋轮圆角半径r根据筒坯材料的壁厚和热处理状态而定，一般材料愈硬，则取值愈小。但r过小会降低旋压件表面质量；过大会使旋压力增加，同时金属切向变形增大，旋压件易出现扩径。考虑设备加工能力，旋轮的圆角半径选择510mm，前轮R10mm，中轮R8mm，后轮R5mm。退出角可根据筒坯的结构尺寸进行选择，对成形的影响较小，采用的退出角前轮、中轮和后轮分别为15、15和30。前轮、中轮和后轮如图4图6所示。4.3 卸料装置采用圆形卸料环（见图7），中间设计环形槽，卸料叉伸进环形槽对旋压后的零件进行卸料。卸料后内径比芯模略大，设计为64.27+0.5+0.3mm。图4前轮a）型面结构 b）实物图3双锥面旋轮型面结构及实物2023年 第9期 冷加工32工艺方案Technique Solution图5中轮图6后轮4.4 总装图要求由于零件精度要求高，因此对模具装配后的精度要求也较高，安装到旋压装备后芯模径向圆跳 动0.05mm。装配后的总图如图8所示。2023年 第9期 冷加工33工艺方案Technique Solution5毛坯设计5.1 热处理状态35CrMnSi钢先完全退火，再球化退火，最后去应力退火。退火制度如下。1）完全退火。加热温度为860，保温2h，炉冷至600，出炉空冷。2）球化退火。500以下装炉，（78010）保温（1205）min，炉冷至（69010），保温（3005）min，炉冷至650以下出炉空冷。3）粗车。球化退火后的毛坯粗车，单边预留 23mm。4）去应力退火。720保温2h，炉冷至600，出炉空冷。45钢采用完全退火，随炉升温至800810，保温1.5h，炉冷。5.2 毛坯尺寸35CrMnSi钢和45钢的极限减薄率均为75%左右。毛坯壁厚初步设计为7mm3，旋压后最薄处1.72mm，减薄率为75%，达到极限减薄率，基本达到材料成形的极限。设计的毛坯尺寸如图9所示，加工后的毛坯实物如图10所示。图9毛坯尺寸图10加工后的毛坯实物6 工艺准备工艺准备如下。（1）调整模具径向圆跳动不顶尾顶时端部0.05mm，根部0.02mm。（2）旋轮径向圆跳动X前轮（远）0.05mm，Z中轮（上）0.03mm，Y后轮（近）0.03mm。（3）错距前轮与中轮错距为5.26mm，中轮与后轮错距为3.68mm。（4）设置零件参考零点（G54）粗略计算如下：A1387.6644（塞尺）30（旋轮前端面至R心的距离）131.2（芯模端面至台阶端面距离）222.464；X（前轮/远）17.101（116.1564.27）/243.041；Z（中轮/上）12.34（116.1564.27）/238.28；Y（后轮/近）17.714（116.1564.27）/243.654。精确设置跟G55一样：X为0.1，Z为0，Y为 0.2。（5）塞间隙设置精确：设置3mm间隙的程序，实测X为2.7mm，Z为3mm，Y为3.1mm；设置零偏精确数值X为0.4，Z为0，Y为0.1。（6）主轴旋转方向面向主轴，逆时针，M3。图7卸料环图8装配后的总图2023年 第9期 冷加工34工艺方案Technique Solution（7）测量工具内径采用内径百分表（见图11）测量，外径采用外径千分尺（见图12）测量，壁厚采用超声波壁厚仪（见图13）测量4。图 11内径百分表 图12外径千分尺 图13超声波壁厚仪7 工艺试验整体工艺思路：毛坯壁厚实测值为7mm，第一道次旋压至3.54mm；第二道次旋压到零件要求外径，厚度1.722.49mm2。7.1 45钢旋压试验（1）1#件旋压试验试验参数见表1。第二道次增大进给量，目的是减小扩径量，保证贴模。旋压后内径64.4164.49mm，相比芯模直径64.27mm，扩径0.140.22mm。（2）2#件旋压试验2#件提高转速和进给速度，增大进给量，保证贴模。试验参数见表2。旋压后内径64.2764.36mm，相比芯模直径64.27mm，扩径00.09mm，扩径量减小。（3）3#件旋压试验1#件和2#件旋压后外径偏小，3#件将第二道次间隙调大，同时继续提高转速和进给速度，增大进给量，减小扩径量。试验参数见表3。虽然提高了进给量，但是间隙增加了0.24mm，即减薄率减小，旋压力也会减小，退让量也减小。旋压后内径64.3264.43mm，相比芯模直径64.27mm，扩径0.050.16mm。（4）4#件旋压试验1#3#件第一道次旋压到3.5mm，4#件第一道次拟旋压到4mm，增大第二道次的减薄率，看看能否将内径扩径量进一步减小。试验参数见表4。第二道次筒段由于减薄率增大，因此退让量也增大了0.06mm；口部进给速度增大到300mm/min，目的是为了收径，口部因减薄率小，故退让量为0.46mm。旋压后内径64.3564.37mm，相比芯模直径64.27mm，扩径0.080.1mm。表145钢1#件旋压试验参数道次间隙/（mm/mm/mm）压下量/（mm/mm/mm）旋压后壁厚/mm退让量/mm转速n/（r/min）进给速度vf/（mm/min）进给量f/（mm/r）一5.5/4.2/31.5/1.3/1.23.50.51501350.9二2.6/1.7/0.870.9/0.9/0.831.50.631501651.1表245钢2#件旋压试验参数道次间隙/（mm/mm/mm）压下量/（mm/mm/mm）旋压后壁厚/mm退让量/mm转速n/（r/min）进给速度vf/（mm/min）进给量f/（mm/r）一5.5/4.2/31.5/1.3/1.23.520.522002001.0二2.6/1.7/0.870.92/0.9/0.831.570.702002201.1表345钢3#件旋压试验参数道次间隙/（mm/mm/mm）压下量/（mm/mm/mm）旋压后壁厚/mm退让量/mm转速n/（r/min）进给速度vf/（mm/min）进给量f/（mm/r）一5.5/4.2/31.5/1.3/1.23.550.552002201.1二（2.60.08）/（1.70.16）/（0.870.24）0.87/0.82/0.751.730.622002401.2表445钢4#件旋压试验参数道次间隙/（mm/mm/mm）压下量/（mm/mm/mm）旋压后壁厚/mm退让量/mm转速n/（r/min）进给速度vf/（mm/min）进给量f/（mm/r）备注一5.8/4.6/3.51.2/1.2/1.140.52002201.1二3/2/1.11/1/0.91.780.682002401.2筒段二3.25/2.55/1.850.75/0.7/0.72.310.462003001.5口部2023年 第9期 冷加工35工艺方案Technique Solution旋压后的零件形态与毛坯对比如图14所示，下方为旋压毛坯，上方为旋压后的零件。图14旋压后的零件形态与毛坯对比7.2 35CrMnSi钢旋压试验（1）1#件旋压试验试验参数见表5。第一道次旋压后外径72.3mm，贴模较好，芯模直径64.27mm，壁厚约4mm；第二道次旋压后外径69.369.35mm，内径64.27mm，贴模较好。（2）2#件旋压试验2#件孔深190mm，试验参数与1#件相同。旋压后外径69.2369.35mm，内径64.2764.29mm，贴模。（3）3#件旋压试验试验参数见表6。第一道次旋压后外径72.3mm，贴模，芯模直径64.27mm，壁厚约4mm；第二道次筒段旋压后外径68.6mm，内径64.32mm。口部旋压后外径69.85mm，内径64.32mm，贴模。内径达到尺寸要求64.2264.334mm。筒段要求外径67.68667.76mm，口部要求外径69.1169.3mm，全部有量。按照此参数，旋压4#11#件，尺寸稳定。表535CrMnSi钢1#件旋压试验参数道次间隙/（mm/mm/mm）压下量/（mm/mm/mm）旋压后内径/mm旋压后外径/mm转速n/（r/min）进给速度vf/（mm/min）进给量f/（mm/r）一5.8/4.6/3.51.2/1.2/1.164.2772.32002201.1二3.28/2.58/1.980.72/0.7/0.664.2769.369.352002401.2表635CrMnSi钢3#件旋压试验参数道次间隙/（mm/mm/mm）压下量/（mm/mm/mm）旋压后内径/mm旋压后外径/mm转速n/（r/min）进给速度vf/（mm/min）进给量f/（mm/r）备注一5.8/4.6/3.51.2/1.2/1.164.2772.32002201.1二（3.280.15）/（2.580.3）/（1.980.45）0.87/0.85/0.7564.3268.62002201.1筒段二（3.280.1）/（2.580.2）/（1.980.3）0.62/0.6/0.564.3269.852002401.2口部工件旋压前、后的状态分别如图15、图16所示，旋压成形产品如图17所示。图15工件旋压前的状态 图16工件旋压后的状态 图17旋压成形产品8 结束语通过对45钢和35CrMnSi钢两种不同材料的筒形零件旋压成形的专用模具、工艺参数进行设计与分析，最终旋压出满足设计要求的产品。方案设计合理、可行，旋压工艺可替代车削加工，具有成形效率高、材料利用率高等优点。参考文献：1 李彦利.旋压技术与应用M.北京：机械工业出版社，2008.2 陈适先，贾文铎，曹庚顺，等.强力旋压工艺与设备M.北京：国防工业出版社，1986.3 张涛.旋压成形工艺M.北京：化学工业出版社，2009.4第一届旋压会议文集编写组.第一届旋压会议文集M.北京：国防工业出版社，1980.20230612