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电动工具电锤的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的重要传动零件。在工作时承受巨大的冲击载荷，而且电锤的工作环境恶劣、多粉尘，零件易磨损。采用温塑性成形工艺，可以提高工件精度，降低材料消耗，减少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，杆部与头部成非对称结构布置，盘部的截面是非轴对称截面。从零件结构上看，头部和杆部都由一个粗大部分与杆子组成，形状细长而狭窄，其长度明显大于其他尺寸。由于零件各个截面积差较大，故可考虑采用挤压工艺。
该零件选用的材料为40Cr，此钢的抗拉强度与屈服强度比相应的碳素钢高20％，并具有良好的淬透性，良好的切削加工性能。

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，采用冷挤压时的润滑方法，会使磷化层和皂化层烧毁，使润滑条件恶化，因此，在温挤压时，对润滑剂有更高的要求。
采用水剂石墨（成分：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。干燥后的坯料即可进行加热、挤压。浸涂润滑剂后的坯料表面必须留有0.03～0.1mm厚的薄膜，呈黑炭色，并有明显的黑灰色小点；若不然必须重新浸涂。

5 加热
成形温度是温挤压工艺能否顺利进行的关键因素。确定温挤压成形温度的原则是：
(1) 选择在金属材料塑性好，变形抗力显著下降的温度范围。
(2) 选择在金属材料发生剧烈氧化前的温度范围，以保证在非保护性气氛中加热时氧化极微。
(3) 选择的润滑剂能达到最小摩擦因数，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的温度范围。

图 40Cr的温度－强度曲线

随着温度的升高，塑性指标上升，但存在两个“低谷”，分别在600℃和800℃。600℃即为40Cr的“蓝脆”温度，在800℃出现的金属塑性下降的现象，称为“蓝脆”。钢的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的要求，在温挤压高强度的材料时往往选择在钢的相变温度进行挤压。在相变区挤压，即铁-碳平衡相图Ac1与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的温塑性变形温度通常在600℃～800℃之间，高于800℃时工件的氧化变得剧烈，低于600℃时工件的变形抗力迅速增大。由于工件的变形程度较大，故将温挤压温度定在750℃，在这温度下40Cr的变形抗力为常温下的15％，氧化极微。考虑到加热温度的波动，最终将始锻温度定为750℃±20℃。
由于温挤压坯料加热时不得不出现严重的氧和脱碳现象，对炉温控制的准确性要求高，故尽可能采用电加热方法，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，一般情况不采用煤或油加热。
加热装置采用2500Hz、100kw的中频感应加热炉。

6 温挤压成形
在冷挤压基础上将零件头部的小凸杆和凸轮温挤压成形，如下图所示：

图 成形件图

7 车加工
塑性成形后，由于挤压机械加工精度及零件尺寸公差无法达到图纸要求，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示。
由于温挤压时温度达到750℃，预成形件由于热胀冷缩体积会有所增大，现定坯料膨胀率为1％，则尺寸相应增大。
Φ28→Φ28.3mm；Φ8.5→Φ8.59mm。
εA=×100％≈90.8％
由于40Cr在700℃的极限断面收缩率不得大于84％。随着温度的升高，极限断面收缩率呈线增大，显然在750℃时断面收缩率为90.8％是可行的。
因此，成形件可以一次挤压成形。

9 温挤压力计算
温挤压力的计算也采用图算法，参见文献[4]P1124。
根据断面收缩率εA＝90.8％，挤压温度750℃，查图（文献[4]P1124图12-14）得40Cr的凸模单位挤压力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
根据温挤压力1526.5KN，并取安全系数1.3，则液压机公称压力要求大于1984KN。
由于预成形工序中所用液压机公称压力为2000KN，故成形工序可采用同一台液压机，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
根据成形件形状设计凸模，由于零件上部有一个直径8.5mm的轴，因此要在凸模上开一个孔，同时由于成形模使用的是导向套进行导向，因此凸模与导向套之间有很高的配合要求。
凸模成形直径8.5mm小轴部分的工作尺寸按公式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
成形凸模具体尺寸如下图所示。

图4.4 成形凸模

由于凸模对抗压性能有很高的要求，故选用材料：3Cr2W8V。3Cr2W8V是热作模具钢，具有较高的变形抗力、耐磨性及断裂抗力，还具有高的回火稳定性。热处理硬度要求达到HRC 48～52。
11.2 预应力圈组合凹模
由于温挤压时单位挤压力达到了1700MPa，故预成形模也必须采用三层组合凹模。
成形模组合凹模我选择d4=4d1，再依次算出其他参数。
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
根据以上数据，可以设计出中套，如下图所示。

图 成形模中套

中套与凹模和外套是过盈配合。中套的材料必须具有足够的强度与韧性两方面的综合性能，由于是温挤压，这一材料还必须有较高的耐热性，所以选择45或5CrMnMo，其淬火硬度为HRC40～45。并且要进行200℃的低温回火以消除内应力。
根据以上数据，可以设计出外套，外套材料为40Cr，其淬火硬度为HRC40～45。
由于温挤压时必须对凹模进行冷却，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。
外套具体尺寸如下图所示。

图 成形模外套

由于成形模使用导向套进行导向，导向套靠外套固定，因此外套加工时必须注意内部的同轴度问题，外套内壁必须一次加工完成。
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。
由于偏心轴为非对称零件，上、下模相对位置必须固定可靠，因此为了防转，在上、下模相应零件都加了Φ6mm的圆柱销，此外，凸模和凹模都使用大螺母固定。

图 成形模总装图

模具在工作前必须充分预热，使用煤气喷灯加热，加热至200℃才能工作。
在温挤压时如何使模具充分冷却，又不使坯料过度降温？是设计温挤压模具结构时必须认真考虑的问题。特别是在中高温温度下（500～800℃）的温挤压成形，模具冷却系统的设计显得尤其重要。合理的冷却方法可以保证温挤压的连续成形并有利于延长模具寿命。

12 模具材料及热处理
温挤压模具的服役条件很苛刻，与热挤压相比，除了承受同样的热应力外，还要承受比热挤压大得多的单位负荷；与冷挤压工艺相比，虽然温挤压模具所承受的单位负荷要小的多，但是成形时坯料的热效应要远大于冷挤压，不加冷却的话，足以使温挤压模具产生回火软化。因此，根据温挤压的成形温度不同，选用合适的模具材料及其热处理工艺，并在模具设计时注重模具的冷却装置的合理设计，即能充分发挥温挤压模具的潜在寿命，保证挤压件的质量和降低模具成本。
温挤压模具工作部分零件仍选用3Cr2W8V。3Cr2W8V锻后应及时进行退火，消除钢中的残余应力，同时降低硬度有利于后道的切削加工。热处理工艺是决定模具寿命的重要工艺环节。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都有很大提高。
3Cr2W8V的热处理工艺如下：
（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。