0引言 冷挤压是通过设备施给的动力,轴向压缩坯 料使之从冲头或凹模的型腔孔或狭窄空隙中挤出 成形的一种冷锻加工方法〔’>,是当今冷锻技术领 域研究得最为活跃的一种塑性成形技术。 冷挤压、冷锻加工是靠模具来控制金属流 动,靠金属体积的大量转移来成形零件的。它是 一种高效、优质、低耗的先进生产工艺技术。与 热挤压、热锻工艺相比,它可以节约材料约 30%一50%,节省能源达40%一80%,且可以 提高锻件质量,还能够减少污染与改善环境12川。 因此,较多应用于中小型锻件规模化生产中,并 逐渐渗透到整个制造业领域里。尤其是进入新世 纪以来,世界各国都在大力应用和发展冷挤压、 冷锻技术,在这方面己有了一些报导15一8>,本文 介绍对平面钩型换向器将落后成形工艺改为先进 冷挤压工艺的实验研究情况。 1平面钩型换向器结构工艺性 换向器的种类繁多,包括钩型换向器、槽型 换向器、平面型换向器、卷板型换向器等,广泛 应用于电动工具、家用电器、汽车、摩托车等各 类电机领域。换向器是电机的核心部件,换向器 质量的优劣直接影响电机的性能。 一种八片式平面钩型换向器如图1所示。迄 今,我国绝大多数换向器生产厂家采用紫铜线材 经多次拉拔、冲压制成单个换向片,然后再将8 个单片镶嵌云母片组装与弯钩(即图中8个片爪 均向外弯卷)等后续工序制造成该种换向器的。 个别厂家虽己采用了冷挤压工艺,但他们是挤压 出一个厚壁筒,再经车削、铣钩、铣槽等加工出 凸台及片爪。以上工艺不但工序多、生产效率 低,且材料利用率也十分低,其质量性能较差, 很难满足现代生产的需要。因此,必须寻找先进 的制造技术,而其中的冷挤压、冷锻正是当今大 力发展的先进成形技术之一。 从挤压整体成形角度分析,该种换向器结构 特点为:端部1是相连的,带有多个凸台2和片 爪3的截面为不连续的:虽然为轴对称形状,但 在凸台处存在转角突变,工艺性不良(凸台靠近 中心端的顶部较难充满)。经计算,片爪部位的 断面缩减率(变形程度)eA二95.07%,挤压比 G=20 27。查参考文献【3>可知紫铜的极限许可 断面缩减率(变形程度)为:正挤称=90%~ 95%,反挤以二75%一90%。可见,该平面钩 型换向器的变形程度达到了紫铜的极限变形程 度,整体冷挤压成形有很大难度。但课题组接受 某公司委托,开展了全面的实验研究,分别用 正、反两种挤压成形试验比较,顺利完成了平面 钩型换向器的冷挤压一次成形。 从该种平面钩形换向器结构工艺性分析出 发,选择并实验成功的整体冷挤压成形工艺,不 仅优越于上述现有的两种工艺,而且,从变形理 论的发展角度来看,能为一类多杆型零件的并行 挤压新概念提供了实际例子。 23 2.1反挤压试验 反挤压工艺方案:制坯(用垫圈形坯料)一 反挤压。 该工艺方案的凸模形状比较复杂,端面带有 凹槽,削弱了凸模的强度。由于模具工作零件的 单位挤压力较大,经计算在2 000MPa以上,这 就决定了凸模需要设计成整体式的,因而既增加 了加工的难度,也增加了模具制造的费用,且在 实验过程中也出现过凸模端部裂开的现象。凹模 的形状比较简单,虽然由于成形力较大,但可采 用组合式凹模,通过预紧力来增强凹模的强度。 试验模具结构简图如图2所示。 }日 图2反挤压试验模具结构简图 1.凸模2,凸模固定板3.工件4.固定凹模 5.组合凹模内圈6.组合凹模中圈 7.组合凹摸外圈8.芯棒 实验证明:该种反挤压方案有以下几个问 题: (l)工件常粘附在凸模上,脱料就会非常困 难,也只有从片爪的端部进行脱料,而成形后8 个片爪长度不可能都一样,所以这种脱料方式比 较麻烦,甚至可能破坏成形好的片爪。 (2)挤压成形中,凸模和凹模之间存在一种 相对运动,它们之间存在间隙,所以在8个片爪 外侧就会形成毛刺,同时也增大了成形力。如果 凸模和凹模之间的间隙较大,8个片爪之间甚至 会形成很薄的连皮,这就必须增加一道去除连皮 的工序。 图1平面钩型换向器整体挤压件 1.端邵2.凸台3.片爪 2.2正挤压试验 2冷挤压工艺方案分析 正挤压工艺方案:制坯(用垫圈形坯料)一 正挤压。 该工艺方案凸模形状比较简单,没有凹槽, 增大了凸模的强度,但凹模的形状就比较复杂。 正挤凹模可以设计成整体式与分割式:·如设计成 整体式,凹模的强度就会比较好,但其加工难度 大,模具制造的成本较高;若设计成分割式的, 凹模的强度就会差些,但加工比较容易,模具的 成本就低得多。考虑到正挤压时模具承受的单位 压力仍有1 800MPa左右的缘故,凹模设计成整 体式。试验模具结构简图如图3所示。 为功5.4mm,挤压成形后再进行后续加工达到图 纸要求的们~,同时去除成形时产生的毛刺。 按体积不变条件计算毛坯的体积,它等于挤压件 体积加上一定的余量。利用Pro/E软件对零件进 行三维造型,并经过多次试验,最后定为价19.8 mmX叻5 .4mm X 4.4mm。 义长 长名 荟 ( 沪5 .4 了效杯 万么税 .‘’ l .〔 次次次… 决次次 图4毛坯图 3.2实验模具与设备 实验用模具:如图3所示的正挤压实验模。 实验用设备:YE一1 O00kN液压机,实际冷挤 压成形力为700kN左右。 图3‘正挤压试验模具结构简图 1.凸模2.凸模固定板3.工件4.组合凹模内圈 5.组合凹模中圈6.组合凹模外圈7.顶料杆 8.下凹模9.凹模固定板 3正挤压工艺实验研究 3.1毛坯尺寸的确定 毛坯的形状和尺寸不仅取决于挤压件的形状 和尺寸,而且还取决于所设计的工艺方案。毛坯形 状和尺寸设计的合理与否,将会对金属流动、挤压 件的形状和尺寸,以及模具寿命等产生明显影响。 根据如图l所示的平面钩型换向器的结构特 点以及考虑到模具加工制造的难易程度,确定工 艺方案采用正挤工艺方案,并经分析与计算,设计 出一环形坯料(图4)。由于在挤压过程中毛坯有 少量的嫩粗,但又不能因为墩粗过多导致加工硬 化而影响片爪的成形,故毛坯外径设计为担9.8 ~,挤压成形后达到图纸要求的拟Omm。考虑 到零件顶出模的方便和内毛刺的产生,内孔设计 3.3坯料的软化处理 挤压前对坯料进行软化处理是使材料在挤压 过程中获得适合于塑性流动的变形条件,并提供 足够韧性、能承受重压而不致损坏的润滑层,以 降低工具载荷,减小磨损,延长模具的寿命。此 工艺试验所用的材料为紫铜,加工出图4的毛坯 后再对坯料进行退火处理,即加热到710℃一 720℃,保温4h,再随炉冷却。使用的润滑剂为 拉深油。 3.4实验结果及分析 (l)试验成形出来的工件基本上能达到图纸 的要求。试验过程中,曾出现8个片爪长短不一, 这是模具的加工和装配精度以及坯料加工精度的 原因。后来经修改、检查和反复试模成功了,且 试生产了几!一件,见图5。 图5正挤压制件实物 (2)实验模确保了冷挤完成后的顺利顶件, 于是,工件的内径比图纸要求的变小了,可在后 续加工中将其加工成图纸规定的尺寸。 (3)部分实验用的毛坯尺寸和成形后的工件 尺寸如表1所示。从表中数值可以明显看出:挤 压件尺寸符合零件产品(图l)的要求,其中内 孔和片高尺寸两处均有后续加工余量,其余尺 寸、形状均符合要求。 表1正挤压实验的部分实验数据 毛坯尺寸(mrn) 外径 高度 1 19.62 2 19.52 3 1962 4 19.58 5 1964 6 19.76 7 19.72 8 19.76 9 19.74 10 19.72 1 1 19.70 12 19.74 内径 5 .52 538 5 .50 压力工件尺寸(mm) (kN)端部厚度凸台高度片爪高度 序号 0 on︸0 0 nUn︸nn曰︸n 00 69 72 71 70 70 71 72 71 72 71 7171 540 5 .44 5 .40 5 .42 5,44 5,42 4 .36 4 .36 4 .34 4 .42 4 .30 4 .42 452 4 .54 4 .52 4‘50 452 4 .50 3 .20 2 .94 3 .08 3 .02 3一04 3 .20 3 .20 3 .22 3 .20 3 .22 3 .20 3 .20 5 .42 5 .40 5,24 520 522 5 .40 5 .42 5 .40 5 .40 542 542 5 .42 10.50 15.30 15.12 13.72 13.52 1240 12石0 12.40 12.36 12.32 12,30 1232 04气‘ ︸、J内、︼,,︸ … ﹃、︸︸、J﹄勺 4结束语 (l)平面钩型换向器产品冷锻成形的工艺过 程为:制坯~正挤压~压制酚醛树脂并固化~弯 钩~切削加工一嵌漆包线一换向器成品。 (2)冷挤压、冷锻技术是一种具有高精度、 高性能、省材料、能改善生产环境等优点的材料 成形方法与先进制造技术,应该提倡在我国国民 经济生产中大力发展和推广应用。 (3)平面钩型换向器这种带凸台和片爪类零 件,虽然结构形状比较复杂,但可以经过科学合 理的设计,采用先进的冷挤压工艺,不仅能整体 一次成形出来,并能达到工艺的最新、最佳化。 该创新工艺已申请了国家发明专利,专利申请 号:2003 10124104.5,公开号:CN1546280A<91。平面钩型换向器整体冷挤压工艺实验研究@陈丽军$南昌大学机电学院!江西南昌330029
@闵水根$南昌大学机电学院!江西南昌330029
@卢险峰$南昌大学机电学院!江西南昌330029
@章跃荣$江西制造职业技术学院!江西南昌330002换向器;;冷挤压;;一次成形对一种八片式平面钩型换向器进行了冷挤压工艺整体成形
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