滑套轴承冷挤压工艺研究

　　摘　要：分析了滑套轴承内圈的冷挤压工艺，通过冷挤压工艺方案的比较，选择了反挤压坯料的形状尺寸及挤压工艺流程，拟定了挤压前的毛坯处理规范，并对模具的设计及制造作了简要地介绍。
　　关键词：滑套轴承；冷挤压；模具
　　滑套轴承为某产品上的一个重要零件，为了满足零件的使用要求，保证其在热处理后具有高硬度、高耐磨性及足够的韧性和抗疲劳性，零件材料采用GCr15轴承钢。
　　由于GCr15轴承钢含碳量达1％左右，并含有1.5％左右的铬，因此变形抗力大，塑性差，采用冷挤压工艺成形受到一定的限制，一般用于简单形状如小型轴承内外圈的挤压^[1]。但对于某些形状复杂的零件，只要采用合理的挤压方案和控制一定的变形程度完全能成功地冷挤出合格的产品^[2-4]。
　　1　工艺分析
　　滑套轴承内圈形状尺寸如图1所示。该内圈外径表面有轴承滚道，中间为Ø15mm内孔，内孔带有两个键槽，键槽之间的内孔壁上各分布着具有特定螺旋升角的螺旋台阶。由于该零件内孔形状复杂，螺旋台阶无法用一般的机加工工艺来完成，加之内孔及螺旋台阶表面粗糙度Ra为1.6μm，因此只能采用冷挤压工艺来成形。零件外圆表面的滚道无法采用冷挤压成形，必须采用后续机加工。考虑到冷挤压工艺的特点，同时也为了保证后续机加工能顺利地加工到图纸所需尺寸，零件的外圆及上下端面均留有一定的挤压余量。 　　2　挤压方案的确定
　　2.1坯料的选择
　　该零件如采用实心圆柱坯料进行反挤压，同时挤出内孔及螺旋台阶，则反挤压断面缩减率为42％，虽然处于一般实心坯料的Z佳断面缩减率范围内，但是由于GCr15轴承钢变形抗力大，单位挤压力也较大，同时凸模带有两条螺旋台阶，造成挤压时金属流动困难，加之凸模形状复杂，容易导致应力集中，使凸模使用寿命下降。鉴于上述原因，决定采用空心坯料进行挤压。经计算，空心坯料的挤压变形程度仅为20％，因此，挤压时凸模所受的单位挤压力大大下降，其使用寿命可得到明显的提高。空心件在挤键槽和螺旋台阶时，如果坯料内孔没有支承的话，内孔壁处于悬空状态，凸模将键槽及螺旋台阶部分压塌变形的材料推挤起来，堆积在内孔底部。同时，键槽及螺旋台阶部分挤压区的材料无法建立三向压应力状态，因此该区域有拉应力的存在，将产生裂纹和残缺现象，致使零件报废。为了克服上述缺陷，采取在凸模上设计导向端，其直径为零件的内孔尺寸。空心坯料内孔尺寸要比导向端的直径小0.03-0.06mm，这样在挤压键槽及螺旋台阶时，导向端插入坯料的孔中，对即将挤压变形区起到预压作用，形成键槽及螺旋台阶纯粹的反挤压变形条件，从根本上消除挤压键槽及螺旋台阶时所产生的向下堆积材料、裂纹及残缺现象，使挤出的键槽、螺旋台阶及内孔的表面光洁饱满。空心坯料的形状尺寸见图2a，冷挤压零件的形状尺寸见图2b。 　　2.2冷挤压工艺流程
　　棒料先切割成一定长度，经退火软化处理，用车床制成空心坯料。坯料经清洗去油、磷化、皂化，再进行冷挤压。
　　2.2.1棒料毛坯的退火处理
　　由于GCrl5轴承钢强度高、变形抗力大、塑性差，如直接进行挤压，必将造成模具损坏甚至爆裂，因此必须对其进行退火软化处理。具体工艺是：把切割成一定长度的棒料密封在由耐热钢制成的钢包中，加热到850℃保温5h，再随炉冷却。
　　退火软化处理后坯料的硬度控制在180HB左右，同时材料的塑性也得到很大的提高，为冷挤压创造了有利的条件。
　　2.2.2坯料的表面处理及润滑
　　黑色金属表面一般采用磷化处理，它是成功进行冷挤压的关键工序，对产品的表面质量和模具的使用寿命有极大的影响，磷化处理的配方及工艺规范为：氧化锌（ZnO）15g/L；水（H₂O）1L；磷酸（H₃Po₄）8g/L；处理温度65-70℃；硝酸（HN0₃）18L；处理时间10min。
　　坯料经皂化处理后，其表面上的多孔磷化层牢固地附着一层硬脂酸锌。硬脂酸锌在挤压时起到很好的润滑作用，避免了挤压材料与模具型腔之间直接接触，大大降低了摩擦阻力，提高了冷挤压产品的表面质量，并延长了模具的使用寿命。皂化处理的规范见文献^[5]。
　　3　模具结构
　　冷挤压模具的结构见图3。该模具上下部分采用导柱导套导向，以保证两者对中的精度。考虑到挤压时单位挤压力不大，采用两层组合式凹模。组合凹模与模座为间隙配合。挤压后，如零件留在凹模内，则由顶杆、顶件器顶出。如卡在凸模上，则由半刚性卸料板卸下。 　　凸模的制造很关键，由于其工作部分的形状较为复杂，需采用紫铜电极经电火花加工成形，再由人工修磨抛光。紫铜电极螺旋台阶采用数控铣床加工，以保证其尺寸及螺旋升角的精度。凸模键槽及螺旋台阶部分设有挤压工作带，以减少挤压时的摩擦阻力。工作带宽3mm，采用化学腐蚀法制成。
　　4　结论
　　（1）采用合理的挤压工艺流程及适当的变形程度，GCr15钢可以冷挤出复杂形状的轴承零件。
　　（2）采用合适的空心坯料，能较大程度地降低反挤压变形程度，减小凸模的单位挤压力，延长凸模的使用寿命。
　　（3）空心挤压件的反挤压凸模采用导向端，可以有效地防止挤压内壁产生裂纹和残缺现象，保证获得合格的挤压零件。
　　参考文献：
　　[1]金会栋.小型轴承套圈冷挤压成形工艺及模具设计[J].锻压机械，1998(2)：9-10.
　　[2]张水忠.GCr15钢花键轴套冷挤成形[J].模具工业，2003(1).43-50.
　　[3]张水忠.内外花键轴承体冷挤压工艺研究[J].轴承，2003(10)：16-18.
　　[4]张水忠.轴承钢摆杆体冷挤压工艺及模具设计[J].上海工程技术大学学报，2001(4)：263-267.
　　[5]贾俐俐.挤压工艺及模具[M].北京：机械工业出版社，2004.