采用压凸—冷挤复合工艺提高凸台强度

摘要：针对锁扣凸台强度不足而导致的失效实例，在分析其压凸台模具结构及工作原理的基础上，找出了原压凸成形机理上的缺陷，明确了失效的原因。由此提出了压凸—冷挤复合工艺，设计了压凸—冷挤复合模，分析了压凸—冷挤复合工艺的成形机理。生产实践及强度试验表明：该工艺能满足产品要求，对强度的提高有显著效果。
　　关键词：凸台；压凸—冷挤复合工艺；强度；成形
　　如图 1 所示为可调式座椅上滑套机构中的关键件——锁扣。采用3毫米优质碳素钢 20 制成，其上有一直径为φ12 的圆凸，在机构中该圆凸与外滑套配合滑动且绕其自身轴心线摆动，并承受交变载荷。由于功能重要，零件制成后，要求与外滑套配合进行一百万次的滑动试验而不失效。



图1 锁扣零件简图

1 工艺方案及压凸台模结构设计
　　该零件主要为成形及弯曲的复合件，结构并不复杂，由于成形的凸台与零件连接仅有1mm，该处的强度势必受到影响，如果冲床行程调节不当或模具设计不合理都将直接影响产品质量，故凸台成形模的设计成为零件合格与否的关键。
　　经对零件进行工艺分析后，确定采用落料—弯曲—切舌—压凸台的工艺方案。分别设计落料模、弯曲模、切舌模、压凸台模等四套模具完成零件的制造，其中设计的压凸台模结构，如图 2 所示。
　　整套模具由上模及下模两部分组成。工作时，半成品零件置于凹模 6 适当位置，随着压机滑块的下降，凸模 4 与凹模 6 共同作用开始对零件实施压凸，当导套与限位块 1 相撞，凸台即告完成。随着压机滑块上行，上、下卸料板分别在各自聚氨酯块弹力的作用下将压好的凸台零件分别从凸、凹模上卸出，从而完成压凸台工序。
　　为避免冲床行程调节不当对零件成形凸台深度的影响，同时在两个导柱上设置限位块1控制冲床滑块下降的高度，以免造成零件冲断。根据零件工作性质，凸、凹模单面间隙取0.27~0.35mm。



1限位块 2固定板 3聚氨酯块 4凸模 5卸料板 6凹模
图2 压凸台模结构简图

2 零件失效原因分析及改进措施
　　按上述工艺方案及设计的模具生产出了外形完全合格的零件，然而在滑动试验中，在运行十几万次至几十万次时，圆凸台发生断裂脱落现象，多次更换零件再试验，结果依然。
　　对断口形貌进行仔细观察发现，断口粗糙，零件断裂口附近有三至五处裂纹，裂纹沿凸台周围呈发射状向外延伸，断口分析表明为脆性断裂。为找寻零件早期失效原因，针对压凸台模具结构，分析了其凸台成形机理。
　　从压凸台模具结构可知，这种压凸成形是在具有尖锐刃口及间隙合理的凸、凹模作用下，经过压缩塑性变形、剪切、部分断裂分离三个阶段而完成的。材料的变形过程类似于冲裁变形过程，实际上是一种材料未完全冲断的不完全冲裁。
　　整个变形过程为：凸模接触材料，将材料压入凹模洞口，在凸、凹模压力作用下，材料表面受到压缩产生塑性变形，由于间隙的存在，使材料同时受到弯曲和拉伸的作用，当凸模继续压下，压力增加，材料内部应力达到屈服条件，剪切变形区开始宏观的滑移变形，此时凸模开始挤入材料，并将下部材料挤入凹模孔中，纤维组织产生更大的弯曲和拉伸变形，由于所压凸台下陷较大，板料与凸模和凹模刃口接触处将分别产生裂纹，使板料产生部分分离，同时纤维组织部分被切割破坏。
　　由此可知，圆凸产生断裂脱落的本质是由于成形机理不合理，导致圆凸与原材料间的纤维组织遭到破坏，并使下陷的凸台口应力集中甚至出现微裂纹。要彻底解决，只有采用新的成形工艺。
　　在充分分析凸台各种成形方法的基础上，决定采取压凸—冷挤复合工艺成形凸台措施。在不影响产品使用的情况下，对锁扣产品进行工艺改进，即在成形的圆凸上端面，压制0.3mm深、18mm直径的浅痕，如图 3 所示。

3 压凸—冷挤复合模设计
3.1 模具结构及工作过程
　　设计的压凸—冷挤复合模，如图 4 所示。
　　整套模具主要由上模及下模两部分组成，工作零件主要为冷挤凸模 3、压凸上模 4 及压凸下模 5、冷挤凹模 6 等。其中上模部分由压凸上模4压入冷挤凸模3 后再与上固定板2成过盈配合，然后中间安放上垫板1与上模板联结而成，下模部分由压凸下模5压入冷挤凹模6后再与下固定板7成过盈配合，然后中间安放下垫板8与下模板联结组成。



图3 凸台改进图



1上垫板  2上固定板  3冷挤凸模  4压凸上模  
5压凸下模  6冷挤凹模  7下固定板  8下垫板

图4 压凸—冷挤复合模结构简图

　　工作时，模具开启，压机滑块在上死点，条料置于冷挤凹模 6 合适位置，上模下行，待加工的半成品首先被模具上、下卸料板压紧，随着上模的逐步下移，压凸上模4迫使其压迫下的材料流入其对面的冷挤凹模 6 凹坑以形成凸台，当上模下行 1.7mm时，冷挤凸模 3 开始接触坯料，对坯料施行压痕，与此同时凸台仍在成形，于是压痕处的金属材料沿下陷的凸台处流动，至此圆凸在压凸上模4与压凸下模5以及坯料上的压痕在冷挤凸模 3 与冷挤凹模 6 的共同作用下受到双向镦挤作用后，整个成形过程结束。随着滑块的上行，上、下卸料板在各自卸料橡胶的弹力作用下分别从凹、凸模上卸出零件，完成一个工作周期，零件转入下一个工作循环。
3.2 设计要点
　　（1） 模具的工作零件全部采用装配、组合式结构，从而有利于凸、凹模的加工制造，使精度调整及维修方便。当工作零件磨损需进行修刃时，只要分别对有关凸、凹模进行磨削，便可保证其使用性能不变，使模具寿命得到延长。
　　（2） 压凸台的主要工作部件压凸上模4及冷挤凹模6刃口设计成小圆角R0.3，以抑制裂纹的产生。
　　（3） 为改变凸台成形的冲裁性质，增大成形中的挤压作用，压凸上模4及冷挤凹模6的双向间隙取0.01~0.02mm。
　　（4） 冷挤凸模3为挤压φ18压痕之用，其刃口周围倒圆角成R0.3。
3.3 压凸—冷挤复合工艺成形机理
　　尽管压凸—冷挤复合模与压凸台模的工作过程基本一致，但由于在冲压工艺以及模具结构设计上有针对性的采取了措施，从而使其成形与原冲裁的性质完全不同。
　　在凸台成形阶段，由于压凸台的主要工作部件采用了小圆角刃口，从而增强了对被冲材料的径向压应力，提高了金属塑性，起到了抑制裂纹产生的作用，在压凸台过程中材料被均匀地挤入冷挤凹模 6 洞口，材料纤维被拉长，并由凹模的光滑表面压平，形成了较光滑的断面，同时小冲裁间隙的采用，又加强了冲裁变形区的静水压，使挤压作用加大，拉伸、断裂作用减小，工件剪切面上的剪裂带大大减小，同时圆角对剪切面的压平作用，使工件断面质量得到进一步地提高，这种压凸台的形式实质上是一种冲裁—挤光复合工序的加工；在压痕及凸台复合成形阶段，冷挤凸模 3 通过压痕时的径向挤压力作用促使其下部的材料向模腔内流动，从而达到利用模具在压力机上对模腔内的金属坯料施加相当大的压力，使其在三向受压的应力状态下产生塑性变形，保证变形后的材料组织致密并冷作硬化，使纤维组织沿凸台轮廓分布，形成连续的纤维流向，这样材料的强度便得到较大的提高，避免了原凸台成形中对金属内部纤维的破坏。

4 结束语
　　由于设计的压凸—冷挤复合模较好地控制了因弯曲、拉伸等作用造成的剪切裂纹，避免了对坯料金属纤维的破坏。因此，生产的一百余套样品经长达二个月的破坏性试验，没有再出现圆凸断裂脱落现象，加工的凸台全部合格。目前已转入大批量生产。
　　锁扣凸台的制造成功表明，对原失效原因的分析是正确的，采取的压凸—冷挤复合工艺措施是有效、合理的。压凸—冷挤复合工艺的采用能有效地提高加工件的强度及抗疲劳性能。

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这类模具看的多了，我闭着眼睛都能想出来。