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材料机械性能在挤压成型中的作用探析
2011-06-23 20:54:00 来源:《大观周刊》 作者:端木庆文 谢文宗 【 】 浏览:1646次 评论:0
  摘要:近年来,随着高科技的发展和新前沿学科的出现,冷挤压工艺设计方法的发展先后经历了经验性设计、基于物理模拟技术的设计以及基于数值模拟技术的设计等阶段。本文主要分析材料机械性能对挤压成型中的作用。
  关键词:机械性能 挤压成型 作用
  
  传统的冷挤压工艺设计由于缺乏必要的分析工具,基本上都是由设计人员根据个人的经验以及书本上的专业知识通过试误法来实现的。显然,这种试误法由于主观和客观上的原因,肯定会不时地、或多或少地引起无法保证质量、人力物力的浪费以及生产周期的增加等许多问题,导致设计的误差以及由此引起的质量不稳定性和高废品率,通过这种方法生产制造产品必然会降低产品的质量和企业的竞争力。
  1、冷挤压成型的工艺特点
  1.1冷挤压优点
  (1)可以降低原材料的消耗
  金属零件如用切削加工的方法制造,材料的利用率通常为40~60%,而用冷挤压方法制造,材料的利用率高达70~95%。
  (2)可以提高劳动生产率
  冷挤压是在压力机上进行的,压力机的一次行程就可以完成一道工序,因此与切削加工相比,生产率可以大幅度地提高。
  (3)可以提高零件的机械性能
  在冷挤压过程中,金属材料处于三向不等压应力作用下,挤压变形后,金属材料的组织更加致密,金属流线不被切断,成为沿着挤压件轮廓连续分布的的金属流线。同时,由于冷挤压利用了金属材料冷变形的冷作硬化特性,使冷挤压件的强度大为提高。从而提供了用低强度钢代替高强度钢的可能性。
  (4)可以降低零件的制造成本
  由于冷挤压可以节省原材料和加工工时,因此可降低生产成本。
  (5)可加工形状复杂的零件
  冷挤压加工一些形状复杂的轴对称类零件的效果特别明显。
  (6)可获得较高尺寸精度和表面光洁度的零件
  冷挤压靠强大的压力来压平毛坯表面,因此可以获得较高的尺寸精度和较小的表面粗糙度。冷挤压件表面粗糙度一般在Ra=0.4~0.6以下,公差等级可达IT7-IT8。
  2、冷挤压技术在应用中存在的难点
  冷挤压技术在应用中存在的难点主要有:
  (1)对模具要求高。冷挤压时毛坯在模具中受三向压应力而使变形抗力显著增大,这使得模具所受的应力远比一般的冲压模大,冷挤压钢材时,模具所受的应力常达2000MPa-2500MPa。模具除需要具有高强度外,还需有足够的冲击韧性和耐磨性。此外,金属毛坯在模具中强烈的塑性变形,会使模具温度升高至250度-300度左右,因而,模具材料需要一定的回火稳定性。
  (2)需要大吨位的压力机。由于冷挤压时毛坯的变形抗力大,需用数百吨甚至几千吨的压力机。
  (3)由于冷挤压的模具成本高,一般只适应大批量生产的零件。它适宜的最小批量是5-10万件。
  (4)毛坯在挤压前需进行表面处理。这不但增加了工序,需占用较大的生产面积,而且难以实现生产自动化。
  (5)宜用于高强度材料的加工。
  (6)冷挤压零件的塑性、冲击韧性变差,而且零件的残余应力大,这会引起零件变形和耐腐蚀性的降低(生产应力腐蚀)。
  目前,很多材料是可以冷挤压加工的,如有色金属及黑色金属,而适用于冷挤压的材料主要为低碳钢、中碳钢和低合金钢。含镍量较大的各种钢种,一般不进行冷挤压加工。
  3、材料机械性能、理化性能在挤压成型中的作用
  由于冷挤压要产生显著的不均匀变形,因此,为了获得优质的冷挤压件,除了采取一些得力的工艺措施以外,还要求冷挤压件所用的原材料具有较高的质量和良好的性能。冷挤压用材料质量和性能有以下一些衡量指标:
  试验材料为工业用20Cr 钢, 其化学成分见表3.4.1, 其棒料硬度为220 HB。
  试样尺寸为Φ25×30 (mm )圆棒,退火前的金相组织为铁素体和层片状珠光体,硬度为170~180HB。
  3.1变形抗力
  变形抗力是原材料抵抗变形时所表现出来的反抗力;变形抗力越小,加工所需的单位挤压力也越小。当变形抗力足够大时,就有可能引起模具或冷挤压设备损坏的危险。因此变形抗力的大小是衡量能否进行冷挤压加工的决定性指标。例如,在当目前技术条件下,冷挤压含碳0.45%以上的碳钢是困难的,这是由于这些碳钢的变形抗力较大,有可能超出模具的许用单位压力的缘故。
  3.2组织状态
  晶粒大小和状态对于冷挤压变形能力的影响较大。对于碳钢冷挤压来说,随着含碳量的增加,材料的变形能力随之恶化。即使是相同的材料,当经过适当的热处理造成不同的内部组织时,其塑性也会不同。
  晶粒度大小应适中,无论过大还是过小,都是不合适的。晶粒过小,则变形抗力和变形功要上升;晶粒过大,材料就会脆化,易在冷挤压加工中产生裂纹等缺陷。钢材冷挤压的合理的晶粒大小范围(晶粒平均直径:约0.02~0.06mm;每平方毫米的晶粒数:约250~2300,晶粒的平均面积:约400~4000μm2)。
  3.3表面处理及润滑
  表面处理与润滑是钢零件冷挤压的一个重要的关键问题,对零件的表面质量及模具的寿命有很大影响。它主要包括以下一些内容:
  ①去除表面缺陷;②清洁、去脂、濯洗;③去除表面氧化层(用酸洗或机械处理);④在毛坯表面形成特殊的润滑支撑层——磷酸盐处理;⑤润滑处理。
  其中1~3项处理的目的是改善表面质量,并为以后的磷酸盐处理和润滑处理做好准备。由于冷挤压力(平均值)达200kg/mm2左右,被挤零件与模具表面之间摩擦剧烈,加之材料变形时释放大量热量,挤压温度上升约300℃左右,此时极易产生热粘着,破坏零件和模具表面,并且使摩擦力迅速增大,挤压力剧增而损坏模具。为此需要在材料表面制造一种坚固的有覆盖力的润滑膜。这种润滑膜要有一定柔韧度和厚度,可以实现①防止热粘着②减少磨擦系数。
  实践证明在塑性变形加工中有磷酸盐薄膜和金属皂相结合的润滑方法最为有效、实用。因为磷酸盐薄膜具有多孔性的特点,能存留大量金属皂。
  
  参考文献:
  [1] 金仁钢. 实用冷挤压技术[M]. 哈尔滨工业大学出版社, 2008年12月第1版:1-28
  [2] 胡亚民主编. 精锻模具图册[M]. 机械工业出版社, 2007年11月第1版:60-133
  [3] 纪刚. 3D模拟技术在锻造工艺设计中的应用[J]. 锻造与冲压, 2005(6):34-36
  [4] 郭伟,聂兰启,汪发春. 底螺冷挤压工艺及模具设计[J]. 精密成形工程,2011.01
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Tags:机械性能 挤压成型 作用 责任编辑:草木含羞

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