冷挤压柱塞加工 - 文章

冷挤压柱塞加工

作者：湛江德利化油器有限公司陈尚尧

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摘要：提出了摩托车化油器柱塞冷挤压新工艺，详细介绍了零件材料选择、模具设计、机加工方法、表面硬质阳极氧化处理工艺。与国内对此类零件通常采用的压铸毛坯、机加工成形工艺相比，大大提高了零件质量和使用寿命。

关键词：柱塞；冷挤压；冷挤压模具

汽油发动机是摩托车的心脏，有人称化油器为摩托车发动机的心脏，而柱塞又是柱塞式化油器的心脏。因此，作为化油器心脏的柱塞，其材质的选用、工艺方法、表面处理水平，对化油器总成的性能有直接影响。本文就是对一种新工艺方法——冷挤压柱塞的研制成果进行简单的总结，与同行们共同探讨。

1　冷挤压柱塞的研制

工业发达的日本，摩托车化油器柱塞早就全部采用冷挤压毛坯和表面硬质阳极氧化工艺。其毛坯材料的化学成分如表1所示。表面处理后，硬度HV＞440。

要提高国产化油器柱塞的设计水平，我们对原材料的选用和成形方法、机加工和表面处理工艺进行了探索与研究。

1.1　柱塞成品所需的工艺过程
由于柱塞是化油器总成中的关键零件，其形状较为复杂，精度要求高。因此，它的生产过程较长，其大致的工艺过程为：原材料选用冷挤压毛坯机械加工表面处理。

1.2　材料的选用
为了加快试制进程，按照日本柱塞材料的化学成分，我们选取了两种与之相近的锻铝进行试制，其化学成分如表2所示。这两种锻铝的变形抗力较小，塑性好。我们与铝材厂共同设计模具，专门配制，使毛坯用料的表面质量和尺寸精度都符合设计要求。

1.3　冷挤压毛坯

柱塞的冷挤压工艺，在我国的化油器行业中是一项新工艺，无成功的先例。因此，柱塞的冷挤压工艺的成败，直接决定着冷挤压柱塞研制工作的成败。

冷挤压毛坯的工艺流程如图1。

图1　冷挤压毛坯的工艺流程

1.3.1　检查材料

每批订购的材料应抽查化学成分、表面质量和尺寸。符合要求的原材料才能投入生产。

1.3.2　切断

由于毛坯用料为实心的棒料，切断前先计算坯料长度。毛坯的体积按体积不变条件计算，并应加上修边量，即

V0=Vp+Vs　　　　　　(1)

式中：V0为毛坯体积，mm3；Vp挤压件体积，mm3；Vs为修边量体积，mm3。一般情况下，Vs取Vp的3%～5%。

毛料的切断长度为

h0=V0/A0　　　　　(2)

式中：h0为坯料长度，mm；A0为坯料横断面积，mm2。

1.3.3　去毛刺

去除坯料切断时产生的毛刺。

1.3.4　软化处理

为了降低毛坯的变形抗力，提高塑性，改善组织，细化晶粒，使坯料易于冷挤压，在冷挤压前进行软化处理。具体的退火规范为：410℃±10℃，保温4h，随炉冷却到150℃。检测软化处理前后的硬度结果：处理前坯料硬度为HB68～72；处理后坯料硬度为HB38～40。

1.3.5　涂润滑剂

冷挤压时，单位挤压力很大。涂润滑剂可减少挤压力，
使金属流动性好，挤压壁厚均匀，卸料力小，提高冷挤压件的表面光洁度。使用润滑剂为硬脂酸锌粉。使用方法：将坯料清洗干净，与粉状硬脂酸锌粉一起放在滚筒内滚动15min，使毛坯料牢固而均匀地涂上一层硬脂酸锌。

1.3.6　冷挤压毛坯

冷挤压就是金属坯料放入模具腔内，在强大的压力和一定的速度作用下，迫使金属从模腔中挤出，从而获得所需形状、尺寸以及具有一定的力学性能的挤压件。显然，冷挤压是靠模具来控制金属流动，靠金属体积的大量转移来形成零件毛坯的。

采用冷挤压工艺，可以降低原材料消耗，材料利用率高达80%～90%；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简单零件的成形。因此，与切削加工相比，生产率可以大幅度提高，生产成本也大为降低。在冷挤压过程中，金属材料处于三向不等的压应力作用下，挤压后金属材料的晶粒组织会更加细小而密实；金属流线不被切断，而是沿着挤压件轮廓连续分布(如图2)；同时，由于冷挤压利用了金属材料经冷加工而产生加工硬化的特性，使冷挤压件的强度大为提高。

图2　冷挤压时的金属流线图

1.3.6.1　冷挤压毛坯图的设计

根据产品图(如图3)的设计要求，同时考虑尽量减少加工余量和不需要加工的原则。

图3　试制产品图

由于柱塞的形状不算太复杂，且用塑性好的锻铝进行冷挤压，因此按一次挤压成形的方案进行设计。毛坯图具体尺寸及形状见图4。

图4　试制毛坯图

验算断面缩减率：

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

未超过许用断面缩减率的75%～90%，因此，可以一次成形。

零件上半部的内腔，可以考虑按照不用切削加工的方式，直接由冲头的形状与尺寸精度来保证。而零件下半部的内腔及外圆精度要求较高，必须留有余量，最终由切削加工来保证。在长度方向上也应给出金属流动的变化范围，由切削加工来达到成品的精度要求。

1.3.6.2　冷挤压模具的设计

冷挤压时的单位压力很大，模具必须经得住静态高压，经得起冲击，经得住毛坯与模具接触面的摩擦，同时还要经得起疲劳。因此，为了确保模具的正常工作和使用寿命，冷挤压模具应具有如下一些特点。

a.工作部分的材料应具有高强度、高硬度、高耐磨性、一定的韧性以及良好的热应性、热稳定性、耐热疲劳性等性能。
b.模具工作部分的过渡处皆应采用光滑的圆角过渡，以防止产生较大的应力集中而开裂，造成模具的早期失效。
c.模具工作部分与上、下底板之间一定要有厚实淬硬的压力垫板，以缓和从凸模凹模传来的超高压力，防止压坏上、下底板。
d.为了提高模具的工作部分的强度，冷挤压凹模一般不采用整体式结构，而采用加预应力的组合式结构。
e.下底板采用具有足够厚度的中碳钢经锻造制成，以保证模具具有较高的强度和刚性。

模具的结构设计如图5所示。工作部分由模套(凹模)、上冲头(凸模)和下冲头(反向凸模)组成。

图5　试制冷挤压模具图

模套(凹模)：决定着毛坯的外圆尺寸精度，内表面必须光滑(Ra0.4μm)，以便于冲压成形，有利于毛坯材料的流动。同时可防止退料时不被卡死。

上冲头(凸模)：柱塞的内腔形状(不要机加工)完全由上冲头保证，设计和制作时要保证光滑和足够的强度，防止冲压时的断裂现象。

下冲头(反向凸模)：主要起柱塞下端成形和退料作用，表面同样要光滑，并有足够的强度。

以上3个关键零件在冲压时要承受巨大冲击力，因而其制作精度和强度非常重要。材料选用模具钢Cr12MoV，淬火硬度为HRC60～62，精磨后用抛光方法保证表面光滑。

图5所示的冷挤压模是属于无导向装置的冷挤压模，凸模的导向精度靠压力机的导轨精度来保证。试制时，设计一个专用的对模套，将上冲头与凹模的中心精心调整重合，再将下底板紧固于工作台上。这种结构调整难度大，且由于机床导轨的精度而影响挤压件壁厚的一致性。为了克服这种缺陷，在试制时，我们对另外几个产品拟设计成导柱导套导向的冷挤压模具。如图6所示。

图6　导柱式冷挤压模具图
1.模柄　2.凸模　3.凸模固定圈　4.压环　5.上压力板　6.固定环
　7.上底板　8.导套　9.导柱　10.卸件环　11.卸件板　12.衬套
　13.下底板　14.拉杆衬套　15.拉杆　16.外加强圈　17.中加强圈　
18.内层凹模　19.F压力板　20.顶杆　21.顶出杆　22.顶板　23.反拉杆

1.3.6.3　压力机的选择

a.计算挤压力。

用理论计算法求得冷挤压时的单位挤压力的精确值是比较困难的。目前只能寻求近似解。在生产实际中，估算单位挤压力一般采用如下数据。硬铝挤压：1000～1500MPa。由于断面缩减率εA=54%，变形程度属中间偏上，因此单位挤压力取P=1400MPa，则挤压力为

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

b.选用压力机。
根据计算的结果，再考虑充分的安全系数，公司现有的630kN冲床可以直接采用，不用新的投资，能量有储备。
对冷挤压使用的压力机应提出如下一些特殊要求：能量要大，刚性要好，导向精度要高(特别是对于无导向的模具)，要具备顶出机构(可与模具配合使用)，要有可靠的过载保护装置，能提供合适的挤压速度。现采用的标准型号的630kN冲床基本具备以上的一些要求，在试制中已满足正常使用需要。

1.3.7　热处理

为了减少冷挤压件的内应力，并为后道工序的机械加工创造条件，现采用如下热处理工艺。
a.加温520℃±5℃，保温3～3.5h，放入50℃～80℃的水中冷却，冷却时间在20s以内。
b.加温160℃±5℃，保温8～8.5h。

2　机械加工

主要工艺流程为：粗磨外圆→平车一端面及倒角→平车另一端面及凹孔→柱塞加工专机(包括铣长导向槽、短斜面、拱高面、油针孔等)→精磨外圆→喷丸去毛刺。其中的关键工序如下。
a.磨外圆：以磨代车，提高了生产率，又提高了加工质量(使用无心磨床)。由于铝材表面较松软，磨削时很容易粘砂轮而影响表面的磨削质量。因此，磨削砂轮必须选用硬度较低、粒度中等、大气孔的碳化硅(黑、蓝都可以)砂轮。冷却液用煤油(或柴油)，冲刷效果非常好，可以防止粘砂轮现象。试制中，柱塞表面粗糙度可以达到Ra0.8μm的设计要求。
b.加工专机：为确保加工精度的提高，减少尺寸的散差，拟引进日本柱塞加工专机生产线。一次装夹，多工位加工，生产效率和加工质量都得到充分的保证，加工的尺寸精度完全可以控制在设计精度以内。
c.喷丸去毛刺：主要是将加工毛刺去除干净，可提高零件的表面光洁度，又可以为后面的表面硬质阳极氧化创造有利条件(有毛刺会引起的电击伤零件而造成废品)。

3　表面硬质阳极氧化处理

主要工艺流程为：除油→热水洗→流动清水洗→碱腐蚀→流动清水洗→光亮零件→流动清水洗→上挂具→纯水洗→硬质阳极氧化→流动清水洗→下挂具→封孔处理→干燥。
主要处理条件为：纯水1000L，硫酸170L，甘油32L，硝酸3L；电流设定为32A，处理时间为40～45min；温度为-4℃±1℃。
氧化膜厚度：试制品经测定为36～42μm。
表面硬度：样品经测定为HV400～440(平均水平为HV420)。

4　结论

冷挤压工艺具有“高产、优质、低消耗”的优点，在技术上和经济上有很高的实用价值。摩托车化油器冷挤压柱塞的研制，从冷挤压毛坯工艺、机加工方法的改善和表面硬质阳极氧化工艺的实施，都是全新的尝试。通过反复的工艺摸索，现已达到日本本田摩托车化油器柱塞的制造水平，为引进产品的柱塞国产化探索了一条工艺途径。

(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/19/2004)


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