多层预紧挤压模具的轴向变压套比装配方法

1.本发明涉及法兰件复合挤压模具的装配领域，尤其涉及一种多层预紧挤压模具的轴向变压套比装配方法。


背景技术：

2.法兰是使管子与管子、阀门附件等相互连接的重要零件，具有连接不同部件和传递扭矩的重要功能，其质量好坏是决定整个连接系统或传动系统性能的重要环节。目前，法兰生产方法有铸造、锻造以及机加工等。铸造法兰成本低，但其机械性能较差，内部易产生缩孔、缩松以及偏析等缺陷，不能满足法兰实际使用过程中复杂的工况条件要求。机械加工法兰材料利用率低、工艺复杂且材料内部流线被切断，同样会大幅降低法兰机械性能。锻造法兰机械性能显著提高，可承受较大剪切力或拉伸力，但当锻造工艺参数或模具结构不合理时，法兰件内部也会出现晶粒粗大、硬化裂纹等现象。近几年来，随着低碳绿色制造理念深入人心，复合挤压工艺成为锻造行业中研究的热点之一，复合挤压法兰具有机械性能好、成形精度高、锻件内部组织均匀、表面质量好、节约原材料和减少工艺流程等诸多显著优势，因此采用复合挤压工艺生产法兰件已经成为行业趋势。
3.然而，挤压过程中工作应力极大，挤压模具磨损严重且常产生模具开裂问题。例如在黑色金属的挤压过程中，由于单位挤压力相当大，导致模具材料的切向拉应力较大，易发生模具的纵向开裂。为此，人们在挤压黑色金属时常采用多层预紧的组合式挤压模具结构，即通过热套法或压配法装配挤压模具，通过过盈配合使模具产生径向压应力，从而可产生切向压应力，部分抵消模具工作过程中承受的切向拉应力，该方法可以有效提高模具的使用寿命。
4.在近几年的研究和生产实践中发现，预应力模具的装配方法对模具寿命影响较大。且模具沿轴向预紧力的分布是不均匀的，通常来说，多层嵌套式挤压模具存在端部效应，其预紧力中间最大并向两端逐渐减小。目前，挤压模具装配时仍采用上下压套比一致的传统热套方法，仍会造成较大概率的模具开裂现象。为此，需要开发新型的挤压模具装配方法，进一步细化预紧力分布，提高多层预紧模具的使用寿命。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种多层预紧挤压模具的轴向变压套比装配方法，可在一定程度上抵消挤压过程中模具上的剪切应力，避免模具发生应力集中和断裂。
6.为了实现上述目的，本发明提供一种多层预紧挤压模具的轴向变压套比装配方法，包括步骤：
7.s1：加工多层挤压模具，所述多层挤压模具包括一冷挤压凹模、一第一层预紧环、一第二层预紧环和一第三层预紧环，所述冷挤压凹模、所述第一层预紧环、所述第二层预紧环和所述第三层预紧环装配后配合形成挤压凹模；
8.所述第三层预紧环的内径沿轴向一致；
9.所述第二层预紧环的上端形成外径不变的第一圆柱段，所述第一圆柱段的下部至所述第二层预紧环的底端外径逐渐减小，所述述第二层预紧环的内径沿轴向一致；
10.所述第一层预紧环的上端形成外径不变的第二圆柱段，所述第一层预紧环的中部和下部形成外径大于所述第二圆柱段的第三圆柱段，所述第二圆柱段和所述第三圆柱段之间形成一圆滑过渡段，所述第一层预紧环的内径沿轴向一致；
11.所述冷挤压凹模的外径一致；
12.s2：采用热套法将所述第二层预紧环压入所述第三层预紧环内，所述第二层预紧环与所述第三层预紧环内壁之间的预紧力上大下小；
13.s3：采用热套法将所述第一层预紧环压入所述第二层预紧环内，所述第一层预紧环与所述第二层预紧环内壁之间的预紧力上小下大；
14.s4：采用热套法将所述冷挤压凹模压入所述第二层预紧环内。
15.优选地，所述冷挤压凹模形成直径8mm的通孔。
16.优选地，所述冷挤压凹模上端、所述第一层预紧环上端和侧面上部和所述第二层预紧环的侧面上部采用精密抛光。
17.优选地，所述冷挤压凹模、所述第一层预紧环、所述第二层预紧环和所述第三层预紧环的底端和顶端的边缘处形成圆滑倒角。
18.优选地，所述第三层预紧环初始的内径为68mm；
19.所述第二层预紧环的第一圆柱段的长度为13mm，所述第一圆柱段的直径为68.41mm；所述第二层预紧环的底端的直径为68.27mm；所述第二层预紧环的内径为44.58mm；
20.所述第一层预紧环的第二圆柱段长度为9mm，所述第二圆柱段的直径为44.6mm；所述圆滑过渡段的长度为3mm；所述第三圆柱段的直径为44.63mm；所述第一层预紧环的内径为18.9mm；
21.所述冷挤压凹模的外径为18.92mm。
22.优选地，所述多层挤压模具底部开设有排气槽，所述排气槽的宽度为或接近0.5mm；所述排气槽的边缘光滑。
23.优选地，所述第三层预紧环呈台阶状。
24.优选地，所述第三层预紧环与所述第二层预紧环上端的压套比为0.6％，下端压套比为0.4％。
25.优选地，所述第二层预紧环与所述第一层预紧环上端的压套比为0.05％，下端压套比为0.1％。
26.本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：
27.1、挤压中的三向压应力状态有效促进了法兰件的均匀塑性变形，有利于材料内部缺陷的锻合，提高了锻件内部组织的均匀性。
28.2、采用轴向变压套比模具装配方法，调整其预紧力分布，可以有效消除模具本身的弯曲应力，并在一定程度上抵消挤压过程中模具上的剪切应力，避免模具发生应力集中和断裂，从而显著提升模具寿命。
29.3、本发明中多层挤压模具可方便调整锻件尺寸，且冷挤压凹模的通孔形成自由分
流通道，能够有效减小挤压过程中的成形力，进一步提高模具寿命。
附图说明
30.图1为本发明实施例的薄壁法兰件的结构示意图；
31.图2为本发明实施例的薄壁法兰件的截面图；
32.图3为本发明实施例的薄壁法兰件的精密锻造过程图；
33.图4为本发明实施例的多层挤压模具的结构示意图；
34.图5为本发明实施例的多层预紧挤压模具的轴向变压套比装配方法的第一装配图；
35.图6为本发明实施例的多层预紧挤压模具的轴向变压套比装配方法的第二装配图；
36.图7为本发明实施例的多层预紧挤压模具的轴向变压套比装配方法的第三装配图。
具体实施方式
37.下面根据附图图1～图7，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。
38.请参阅图1～图7，本发明实施例的一种多层预紧挤压模具的轴向变压套比装配方法，包括步骤：
39.s1：加工多层挤压模具，多层挤压模具包括一冷挤压凹模1、一第一层预紧环2、一第二层预紧环3和一第三层预紧环4，冷挤压凹模1、第一层预紧环2、第二层预紧环3和第三层预紧环4装配后配合形成挤压凹模；
40.第三层预紧环4的内径沿轴向一致；
41.第二层预紧环3的上端形成外径不变的第一圆柱段，第一圆柱段的下部至第二层预紧环3的底端外径逐渐减小，述第二层预紧环3的内径沿轴向一致；
42.第一层预紧环2的上端形成外径不变的第二圆柱段，第一层预紧环2的中部和下部形成外径大于第二圆柱段的第三圆柱段，第二圆柱段和第三圆柱段之间形成一圆滑过渡段，第一层预紧环2的内径沿轴向一致；
43.冷挤压凹模1的外径一致；
44.s2：采用热套法将第二层预紧环3压入第三层预紧环4内，第二层预紧环3与第三层预紧环4内壁之间的预紧力上大下小；
45.s3：采用热套法将第一层预紧环2压入第二层预紧环3内，第一层预紧环2与第二层预紧环3内壁之间的预紧力上小下大；
46.s4：采用热套法将冷挤压凹模1压入第二层预紧环3内。
47.本实施例中，冷挤压凹模1形成直径8mm的通孔。
48.冷挤压凹模1上端、第一层预紧环2上端和侧面上部和第二层预紧环3的侧面上部采用精密抛光。
49.冷挤压凹模1、第一层预紧环2、第二层预紧环3和第三层预紧环4的底端和顶端的边缘处形成圆滑倒角。
50.本实施例中，第三层预紧环4初始的内径为68mm；
51.第二层预紧环3的第一圆柱段的长度为13mm，第一圆柱段的直径为68.41mm；第二层预紧环3的底端的直径为68.27mm；第二层预紧环3的内径为44.58mm；
52.第一层预紧环2的第二圆柱段长度为9mm，第二圆柱段的直径为44.6mm；圆滑过渡段的长度为3mm；第三圆柱段的直径为44.63mm；第一层预紧环2的内径为18.9mm；
53.冷挤压凹模1的外径为18.92mm。
54.多层挤压模具底部开设有排气槽，排气槽的宽度为或接近0.5mm；排气槽的边缘光滑。
55.第三层预紧环4呈台阶状。
56.第三层预紧环4与第二层预紧环3上端的压套比为0.6％，下端压套比为0.4％。
57.第二层预紧环3与第一层预紧环2上端的压套比为0.05％，下端压套比为0.1％。
58.如图1和图2所示为薄壁法兰件的结构图，该零件为具有单向齿的棘轮，主要用于安全气囊中，其直径为44.7mm，台阶部分厚度为4.7mm，下端圆筒壁厚为3.75mm，上端圆筒壁厚为1.8mm，为典型的薄壁法兰，直接采用机加工的方法生产，材料利用率低、生产速度慢且内部组织较差。且该零件各部分壁厚、高度差异较大、凸台薄壁等结构特征较多，零件各部分体积差也很大，难以采用简单原始棒料直接一次锻造成形，因此，需要设计合理的锻造生产工艺，实现该零件的精密成形。
59.可采用冷墩粗
→
冷挤压
→
冷精冲的精密锻造方法生产该棘轮，其过程如图3所示。
60.从直径为32mm的原始棒料上锯切下料得到直径为32mm、厚度为10.7mm的原始坯料。随后，采用密闭锻造将原始坯料锻成预制坯件，该预制坯为中间厚、两端逐渐减薄的飞碟形件，边缘厚度为3.9mm，中间部分为φ16mm、厚5.3mm的圆柱，圆柱中间上下两端均存在φ15mm，深0.5mm的凹坑。该预制坯的形状实现了材料体积的初步分配，有利于后续冷挤压过程中材料充填，且能有效降低冷挤压过程中巨大的成形压力。预制坯件尺寸应略小于挤压型腔尺寸，方便预制坯件方便地沿轴向放入后续的正挤压模具中，预制坯件中心上下存在凹坑，方便预制坯件和上冲头定位准确。
61.随后进行冷挤压过程得到如图3中的锻件。该冷挤压过程中材料变形抗力较大，采用普通挤压模具难以承受变形中的巨大挤压力，为此，本发明设计了如图4所示的多层挤压模具。
62.请参阅图4～图7，为避免应力集中，模具尖角处均采用0.5mm的圆角过渡。冷挤压凹模1，第一层预紧环2，第二层预紧环3，第三层预紧环4上端高度不一致，共同组成成形挤压锻件型腔部分的形状，其中，与预制坯直接接触的冷挤压凹模1上端，第一层预紧环2上端和侧面上部分以及第二层预紧环3的侧面上部分均采用精密抛光，以降低材料挤压成形时的摩擦力和变形载荷，同时可以提高挤压锻件的表面质量。冷挤压凹模1下端为φ8mm的通孔，这样当预制坯件在冷挤压成形结束时，挤压件下端的圆柱不与模具底端相接触，这样会导致仍有材料流动空间，为材料变形提供了充分的分流通道，可有效减少挤压载荷，可大幅度降低冷变形挤压中的成形压力。后续可采用冲裁方法直接将多余的圆柱部分冲掉即可。
63.在实际挤生产中发现，第二层预紧环3容易发生横向开裂，开裂位置一般位于法兰下端位置，即开裂的位置一般位于第二层预紧环3上端面内侧约7-8mm，外侧约9-10mm处，这一问题是该工艺生产过程中的瓶颈问题。这是因为，模具装配和挤压过程中第二层预紧环3
产生弯曲，就会增加剪应力，导致模具开裂。因此，消除第二层预紧环3中的模具弯曲应力就成为该工艺设计中的核心和关键问题。
64.要尽可能地消除第二层预紧环3中的模具弯曲应力，需要在模具设计和装配方法上进行创新，为此，本发明提出一种多层预紧挤压模具的轴向变压套比装配方法，即通过轴向变压套比装配多层挤压模具，进一步细化预紧力分布，消除第二层预紧环3中的模具弯曲应力。具体实施方法如下所示：
65.首先，模具加工尺寸上应该做细微调整，在每层预紧环尺寸上做细微调整。第三层预紧环4内径轴向尺寸一致，上下均为φ68mm，与之配合的第二层预紧环3上端为13mm高φ68.41mm的第一圆柱段，13mm以下的位置径向尺寸逐渐减小到68.27mm，这样采用热套法将第二层预紧环3装配到第三层预紧环4中时，模具轴向的压套比是不一致的，上端压套比约为0.6％，下端压套比为0.4％，这样使第二层预紧环3中形成“上紧下松”的预紧力分布，如图5所示。
66.第二层预紧环3内径轴向尺寸一致，上下均为φ44.58mm，与之配合的第一层预紧环2上端为9mm高φ44.6mm的第二圆柱段，随后存在3mm的圆滑过渡区，其径向尺寸由φ44.6mm过渡到φ44.63mm。这样通过热套法将其装配到上述第二层预紧环3和第三层预紧环4形成的模具中时，模具上端的压套比为0.05％，下端的压套比为0.1％，这样形成“上松下紧”的预紧力分布，与之前装配过程中的预紧力相抵消，可以有效减少第二层预紧环3中形成的模具弯曲应力，防止其在挤压变形中断裂。
67.第一层预紧环2内径轴向尺寸一致，上下均为φ18.9mm，与之配合的冷挤压凹模1外径尺寸为18.92mm，这样将冷挤压凹模1通过热套法压入第一层预紧环2时，上下压套比均为0.1％，其上下预紧力分布一致。
68.上述多层预紧挤压模具的轴向变压套比装配方法过程中的压套顺序为：先将第二层预紧环3压入第三层预紧环4，再将第一层预紧环2压入第二层预紧环3，最后将冷挤压凹模1压入第一层预紧环2。
69.采用上述多层挤压模具，将预制坯件进行冷挤压成形即可得到挤压锻件，随后将挤压锻件进行精冲即可得到所需的零件。
70.本发明采用多层挤压模具和冷挤压工艺生产薄壁棘轮零件，生产效率和材料利用率高；利用轴向变压套比方法调整模具预应力，减少甚至避免模具内部产生弯曲应力，从而大大减少模具发生开裂的可能性，使模具寿命得到有效提升。
71.以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。