冷擠壓柱塞加工

 汽油發(fā)動機是摩托車的心臟，有人稱化油器為摩托車發(fā)動機的心臟，而柱塞又是柱塞式化油器的心臟。因此，作為化油器心臟的柱塞，其材質(zhì)的選用、工藝方法、表面處理水平，對化油器總成的性能有直接影響。本文就是對一種新工藝方法——冷擠壓柱塞的研制成果進行簡單的總結(jié)，與同行們共同探討。 

1　冷擠壓柱塞的研制 

    工業(yè)發(fā)達的日本，摩托車化油器柱塞早就全部采用冷擠壓毛坯和表面硬質(zhì)陽極氧化工藝。其毛坯材料的化學(xué)成分如表1所示。表面處理后，硬度HV＞440。 

    要提高國產(chǎn)化油器柱塞的設(shè)計水平，我們對原材料的選用和成形方法、機加工和表面處理工藝進行了探索與研究。 

    1.1　柱塞成品所需的工藝過程 
    由于柱塞是化油器總成中的關(guān)鍵零件，其形狀較為復(fù)雜，精度要求高。因此，它的生產(chǎn)過程較長，其大致的工藝過程為：原材料選用�隼鋽D壓毛坯�鰴C械加工�霰砻嫣幚�。 

    1.2　材料的選用 
    為了加快試制進程，按照日本柱塞材料的化學(xué)成分，我們選取了兩種與之相近的鍛鋁進行試制，其化學(xué)成分如表2所示。這兩種鍛鋁的變形抗力較小，塑性好。我們與鋁材廠共同設(shè)計模具，專門配制，使毛坯用料的表面質(zhì)量和尺寸精度都符合設(shè)計要求。 

    1.3　冷擠壓毛坯 

    柱塞的冷擠壓工藝，在我國的化油器行業(yè)中是一項新工藝，無成功的先例。因此，柱塞的冷擠壓工藝的成敗，直接決定著冷擠壓柱塞研制工作的成敗。  

    1.3.1　檢查材料  

    每批訂購的材料應(yīng)抽查化學(xué)成分、表面質(zhì)量和尺寸。符合要求的原材料才能投入生產(chǎn)。  

    1.3.2　切斷  

    由于毛坯用料為實心的棒料，切斷前先計算坯料長度。毛坯的體積按體積不變條件計算，并應(yīng)加上修邊量，即  

    V0=Vp+Vs　　　　　　(1)  

    式中：V0為毛坯體積，mm3；Vp擠壓件體積，mm3；Vs為修邊量體積，mm3。一般情況下，Vs取Vp的3%～5%。  

    毛料的切斷長度為  

    h0=V0/A0　　　　　(2)  

    式中：h0為坯料長度，mm；A0為坯料橫斷面積，mm2。  

    1.3.3　去毛刺  

    去除坯料切斷時產(chǎn)生的毛刺。  

    1.3.4　軟化處理  

    為了降低毛坯的變形抗力，提高塑性，改善組織，細(xì)化晶粒，使坯料易于冷擠壓，在冷擠壓前進行軟化處理。具體的退火規(guī)范為：410℃±10℃，保溫4h，隨爐冷卻到150℃。檢測軟化處理前后的硬度結(jié)果：處理前坯料硬度為HB68～72；處理后坯料硬度為HB38～40。  

    1.3.5　涂潤滑劑  

    冷擠壓時，單位擠壓力很大。涂潤滑劑可減少擠壓力， 
使金屬流動性好，擠壓壁厚均勻，卸料力小，提高冷擠壓件的表面光潔度。使用潤滑劑為硬脂酸鋅粉。使用方法：將坯料清洗干凈，與粉狀硬脂酸鋅粉一起放在滾筒內(nèi)滾動15min，使毛坯料牢固而均勻地涂上一層硬脂酸鋅。  

    1.3.6　冷擠壓毛坯  

    冷擠壓就是金屬坯料放入模具腔內(nèi)，在強大的壓力和一定的速度作用下，迫使金屬從模腔中擠出，從而獲得所需形狀、尺寸以及具有一定的力學(xué)性能的擠壓件。顯然，冷擠壓是靠模具來控制金屬流動，靠金屬體積的大量轉(zhuǎn)移來形成零件毛坯的。  

    采用冷擠壓工藝，可以降低原材料消耗，材料利用率高達80%～90%；冷擠壓是在壓力機上進行的，壓力機的一次行程就可以完成簡單零件的成形。因此，與切削加工相比，生產(chǎn)率可以大幅度提高，生產(chǎn)成本也大為降低。在冷擠壓過程中，金屬材料處于三向不等的壓應(yīng)力作用下，擠壓后金屬材料的晶粒組織會更加細(xì)小而密實；金屬流線不被切斷，而是沿著擠壓件輪廓連續(xù)分布(如圖2)；同時，由于冷擠壓利用了金屬材料經(jīng)冷加工而產(chǎn)生加工硬化的特性，使冷擠壓件的強度大為提高。

    1.3.6.1　冷擠壓毛坯圖的設(shè)計  

    根據(jù)產(chǎn)品圖的設(shè)計要求，同時考慮盡量減少加工余量和不需要加工的原則。  
  
    由于柱塞的形狀不算太復(fù)雜，且用塑性好的鍛鋁進行冷擠壓，因此按一次擠壓成形的方案進行設(shè)計。 
  
    驗算斷面縮減率：  

    εA=(A0-A1)/A0×100%=d12/d02×100%=  
    132/17.72×100%=54%  

    未超過許用斷面縮減率的75%～90%，因此，可以一次成形。  

    零件上半部的內(nèi)腔，可以考慮按照不用切削加工的方式，直接由沖頭的形狀與尺寸精度來保證。而零件下半部的內(nèi)腔及外圓精度要求較高，必須留有余量，最終由切削加工來保證。在長度方向上也應(yīng)給出金屬流動的變化范圍，由切削加工來達到成品的精度要求。 

    1.3.6.2　冷擠壓模具的設(shè)計  

    冷擠壓時的單位壓力很大，模具必須經(jīng)得住靜態(tài)高壓，經(jīng)得起沖擊，經(jīng)得住毛坯與模具接觸面的摩擦，同時還要經(jīng)得起疲勞。因此，為了確保模具的正常工作和使用壽命，冷擠壓模具應(yīng)具有如下一些特點。  

    a.工作部分的材料應(yīng)具有高強度、高硬度、高耐磨性、一定的韌性以及良好的熱應(yīng)性、熱穩(wěn)定性、耐熱疲勞性等性能。  
    b.模具工作部分的過渡處皆應(yīng)采用光滑的圓角過渡，以防止產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中而開裂，造成模具的早期失效。  
    c.模具工作部分與上、下底板之間一定要有厚實淬硬的壓力墊板，以緩和從凸模凹模傳來的超高壓力，防止壓壞上、下底板。  
    d.為了提高模具的工作部分的強度，冷擠壓凹模一般不采用整體式結(jié)構(gòu)，而采用加預(yù)應(yīng)力的組合式結(jié)構(gòu)。  
    e.下底板采用具有足夠厚度的中碳鋼經(jīng)鍛造制成，以保證模具具有較高的強度和剛性。   

模    套(凹模)：決定著毛坯的外圓尺寸精度，內(nèi)表面必須光滑(Ra0.4μm)，以便于沖壓成形，有利于毛坯材料的流動。同時可防止退料時不被卡死。  

    上沖頭(凸模)：柱塞的內(nèi)腔形狀(不要機加工)完全由上沖頭保證，設(shè)計和制作時要保證光滑和足夠的強度，防止沖壓時的斷裂現(xiàn)象。  

    下沖頭(反向凸模)：主要起柱塞下端成形和退料作用，表面同樣要光滑，并有足夠的強度。  

    以上3個關(guān)鍵零件在沖壓時要承受巨大沖擊力，因而其制作精度和強度非常重要。材料選用模具鋼Cr12MoV，淬火硬度為HRC60～62，精磨后用拋光方法保證表面光滑。  

    冷擠壓模是屬于無導(dǎo)向裝置的冷擠壓模，凸模的導(dǎo)向精度靠壓力機的導(dǎo)軌精度來保證。試制時，設(shè)計一個專用的對模套，將上沖頭與凹模的中心精心調(diào)整重合，再將下底板緊固于工作臺上。這種結(jié)構(gòu)調(diào)整難度大，且由于機床導(dǎo)軌的精度而影響擠壓件壁厚的一致性。為了克服這種缺陷，在試制時，我們對另外幾個產(chǎn)品擬設(shè)計成導(dǎo)柱導(dǎo)套導(dǎo)向的冷擠壓模具。  

    a.計算擠壓力。  

    用理論計算法求得冷擠壓時的單位擠壓力的精確值是比較困難的。目前只能尋求近似解。在生產(chǎn)實際中，估算單位擠壓力一般采用如下數(shù)據(jù)。硬鋁擠壓：1000～1500MPa。由于斷面縮減率εA=54%，變形程度屬中間偏上，因此單位擠壓力取P=1400MPa，則擠壓力為  

    F=PA=P×π/4D2=  
    1400×π/4×17.72=344.5(kN)  

    b.選用壓力機。  
    根據(jù)計算的結(jié)果，再考慮充分的安全系數(shù)，公司現(xiàn)有的630kN沖床可以直接采用，不用新的投資，能量有儲備。  
    對冷擠壓使用的壓力機應(yīng)提出如下一些特殊要求：能量要大，剛性要好，導(dǎo)向精度要高(特別是對于無導(dǎo)向的模具)，要具備頂出機構(gòu)(可與模具配合使用)，要有可靠的過載保護裝置，能提供合適的擠壓速度�，F(xiàn)采用的標(biāo)準(zhǔn)型號的630kN沖床基本具備以上的一些要求，在試制中已滿足正常使用需要。  

    1.3.7　熱處理  

    為了減少冷擠壓件的內(nèi)應(yīng)力，并為后道工序的機械加工創(chuàng)造條件，現(xiàn)采用如下熱處理工藝。  
    a.加溫520℃±5℃，保溫3～3.5h，放入50℃～80℃的水中冷卻，冷卻時間在20s以內(nèi)。  
    b.加溫160℃±5℃，保溫8～8.5h。  

    2　機械加工  

    主要工藝流程為：粗磨外圓→平車一端面及倒角→平車另一端面及凹孔→柱塞加工專機(包括銑長導(dǎo)向槽、短斜面、拱高面、油針孔等)→精磨外圓→噴丸去毛刺。其中的關(guān)鍵工序如下。  
    a.磨外圓：以磨代車，提高了生產(chǎn)率，又提高了加工質(zhì)量(使用無心磨床)。由于鋁材表面較松軟，磨削時很容易粘砂輪而影響表面的磨削質(zhì)量。因此，磨削砂輪必須選用硬度較低、粒度中等、大氣孔的碳化硅(黑、藍都可以)砂輪。冷卻液用煤油(或柴油)，沖刷效果非常好，可以防止粘砂輪現(xiàn)象。試制中，柱塞表面粗糙度可以達到Ra0.8μm的設(shè)計要求。  
    b.加工專機：為確保加工精度的提高，減少尺寸的散差，擬引進日本柱塞加工專機生產(chǎn)線。一次裝夾，多工位加工，生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量都得到充分的保證，加工的尺寸精度完全可以控制在設(shè)計精度以內(nèi)。  
    c.噴丸去毛刺：主要是將加工毛刺去除干凈，可提高零件的表面光潔度，又可以為后面的表面硬質(zhì)陽極氧化創(chuàng)造有利條件(有毛刺會引起的電擊傷零件而造成廢品)。  

    3　表面硬質(zhì)陽極氧化處理  

    主要工藝流程為：除油→熱水洗→流動清水洗→堿腐蝕→流動清水洗→光亮零件→流動清水洗→上掛具→純水洗→硬質(zhì)陽極氧化→流動清水洗→下掛具→封孔處理→干燥。  
    主要處理條件為：純水1000L，硫酸170L，甘油32L，硝酸3L；電流設(shè)定為32A，處理時間為40～45min；溫度為-4℃±1℃。  
    氧化膜厚度：試制品經(jīng)測定為36～42μm。  
    表面硬度：樣品經(jīng)測定為HV400～440(平均水平為HV420)。  

    4　結(jié)論  

    冷擠壓工藝具有“高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低消耗”的優(yōu)點，在技術(shù)上和經(jīng)濟上有很高的實用價值。摩托車化油器冷擠壓柱塞的研制，從冷擠壓毛坯工藝、機加工方法的改善和表面硬質(zhì)陽極氧化工藝的實施，都是全新的嘗試。通過反復(fù)的工藝摸索，現(xiàn)已達到日本本田摩托車化油器柱塞的制造水平，為引進產(chǎn)品的柱塞國產(chǎn)化探索了一條工藝途徑。