金属冷挤压的闭塞复动成形技术

qqw123 · 发表于 2010-9-29 11:39

摘要：　　本文介绍了闭塞复动冷挤压新技术的基本原理、特点、分类和成形方式。介绍了采用连杆、弹簧和液压的基本合模方式，芯轴同步运动的两种基本方法。并对采用齿轮齿条传动的同步运动结构和同步过程进行分析。

Introduction for Closed and Multiple-motion Cold Extrusion Forming Technology of Metal

　　Abstract: In this paper，the postulate, characteristic, classification and methods of new technology for closed and multiple-motion cold extrusion forming were introduced. The basic method used of link, spring and hydraulic as well as synchronization motion of mandrel were stated. The process of synchronization motiom used of gear and rack were analyzed.
　　早在1935年，随着磷皂化技术的应用，钢的冷挤压才得以实现，但作为经济生产方式获得应用应该在1950年以后。因此冷挤压技术在工业上的应用，至今才不到60年的历史。当前，随着工业的飞速发展，特别是汽车工业的高速发展，市场竞争的日益加剧，机械制造业对于毛坯的要求，从内在质量、成本以及成形(净形net shape、近净形near net shape)等，提出了更高的要求。冷挤压成形方法，从基本的正、反挤压与正反复合挤压，发展到挤-锻复合挤压、复动挤压、闭塞挤压、凹模运动、凹模浮动挤压、流动控制成形以及分流挤压成形等多种形式的现代冷挤压方法与技术。而闭塞复动成形是最具代表性的冷挤压新技术。
　　1 闭塞复动成形的基本原理
　　一般情况下，闭塞成形要通过复动来实现。图2所示为普通闭塞成形与复动闭塞成形的比较。从图1A中可以看到，普通成形时，凸模首先与毛坯接触，当模具完全闭合后，成形结束。这时，由于毛坯重量的误差，需要在上下模之间设置溢流槽。同时由于材料体积转移与分配过程是非常复杂的，因此当上下模合模的一瞬间，材料能否同时在横向和纵向同时充满型腔，很难预料，也往往是制定工艺方案的一大难点。图1B为复动成形的原理，成形开始时上下模首先闭合，然后通过芯轴运动将毛坯挤压成形。可以看出，在成形过程中模具有两次运动。这种在成形过程中，模具需要作两次及两次以上运动的成形过程，我们把它称作复动成形。复动成形可以是闭塞的也可以是开式的，图1即为开式复动成形的典型例子。

图1 闭塞复动成形原理

　　2 闭塞复动成形的特点
　　(1)由于闭塞复动成形过程中，首先将上下模具闭合，这样就形成了成形的型腔，有利于提高零件的成形性，成形零件无废边(图3);
　　(2)从图3可以看出，普通成形由于要产生废边，且废边的厚度又难以控制，因此会造成圆弧的不正确。而闭塞复动成形过程中，可以保持圆弧始终不变，因此具有较高的成形精度;

图2 闭塞成形精度

图3 毛坯重量的控制

　　(3)由于闭塞复动成形过程，成形型腔已经形成，因此可以根据型腔特点与材料流动规律来更好地安排芯轴的位置、数量及动作顺序，以便更好地控制材料的塑性流动，图4显示芯轴固定和芯轴运动两种成形方法。图中也显示，当材料过多会造成工件过多的加工余量，当材料过少，又会造成工件的加工毛刺;
　　(4)闭塞复动成形，除了需要毛坯的制备外，一般只需要一道工序，即可完成成形。节省了普通成形的预成形工序，因此可以减少工序。
　　3 闭塞复动成形的分类
　　闭塞复动成形，一般可分为单向可动与多向可动两大类。每种类型又可根据芯轴数量、芯轴运动方向和凹模分割形式进行细分。具体的分类可参考表1。

表1

　　4 闭塞复动成形的基本形式
　　4.1 基本合模方法
　　闭塞复动成形的基本合模方法如图4所示。凹模一般均为横向分割，芯轴作纵向运动。这种形式适合在普通压力机上进行闭塞成形。滑块下行过程中先将上模与下模闭合，上芯轴也同时随滑块下行进;滑块继续下行时，上模通过连杆、弹簧和液压等作用获得缓冲，而上芯轴则开始挤压工件，直到成形结束。这种方法的模具结构相对简单，但上下芯轴不同步。

a)连杆式 b)弹簧式 c)液压式

图4 闭塞复动成形的基本合模方法

　　4.2 芯轴同步运动的基本方法
　　上下芯轴同步运动的基本方法有两种，如图5所示。第一种方法上下芯轴相对凹模作双向同步运动;第二种方法，芯轴和凹模同时相对下芯轴作同步运动。第一种方法需要在专用的多动压力机上进行，而第二种方法比较适合在普通压力机上成形，但模具相对比较复杂。在现代模具结构部分将重点介绍采用第二种方法的同步运动模具。
　　图6是采用齿轮齿条传动，来实现上下芯轴同步的十字轴闭塞复动成形模具。图7是简化的模具结构图。从图中可以看出，齿条在滑块作用下下行，带动齿轮转动，齿轮同时也沿着固定在下模座上齿条转动，由于的齿轮是安装在下模上的，因此当滑块以速度v下压时，合模后的上下模是以速度v/2下压，从而达到同步挤压材料的目的，具体的步骤可以参考图8。

图5 上下芯轴同步运动的两种基本方法

图6 齿轮齿条同步的闭塞成形模具

图7 简化的齿轮齿条同步闭塞成形模具

图8 齿轮齿条同步的闭塞成形过程

　　5 小结
　　采用闭塞复动成形的冷挤压新技术，不但解决了复杂形状零件的成形性，而且具有成形零件精度高、工序少等特点，是现代金属零部件“净形”和“近净形”加工的主要方法之一。由于目前大部分的金属冷挤压工艺过程，是在普通机械压力机或液压机上完成的，因此闭塞复动模具的设计是制约该项技术发展的关键。在国内，由于对该项技术缺乏认识，因此应用尚不普及。但只要了解了闭塞复动成形的原理，根据零件结构工艺性和压力机的特点，正确设计凹模分割形式，选择芯轴数量和分布，合理选择合模方式和缓冲结构，并积极进行实践，这项技术一定能在国内获得推广。
　　参考文献
　　[1]钱荣芳.复动成形的金属冷挤压方法[J]. 锻压机械.2001.36(5)：14~16.
　　[2]钱荣芳.普通压力机上闭合成形的模具结构[J].模具工业.2000(11)：48~50.
　　[3]钱荣芳.闭合复动成形模具的液压缓冲装置[J]，机床与液压.2003(4).
　　[4]Koudo K,Ohga K, Precision cold die forging of a ring gear by divided flow method, Int. J. Mach. Tools. Manu. Fact., 1999,35(8)：1105.
　　[5]Chitkara N. R, Bhuttr M. A,

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