钎头一次成型工艺及模具设计

介绍了钎头温挤成型工艺的研制过程、主要工艺参数的确定及模具设计过程。

图1所示钎头是钻探设备中的核心零件，由于工作环境恶劣、损耗大、用量多，是钎具行业量大面广的产品。现在钎头的生产主要是采用圆形棒材经车、铣等切削工艺加工成形，因其外形复杂，机加工难度大，材料利用率低，导致生产成本居高不下。另外金属内部的纤维组织因车、铣削而裸露，降低了零件的耐疲劳强度。针对以上问题，本文提出了一种新的成型方法--温挤成型。不仅可以提高生产效率和材料利用率，降低生产成本，还可提高零件的强度。

1. 工艺分析

挤压是一种先进的无切削加工工艺，根据成型温度不同可分为冷挤、温挤和热挤。冷挤时，零件精度高，但变形抗力大且必须采用后续退火工艺；热挤可降低变形抗力，但零件的表面质量和尺寸精度下降。温挤成形是将毛坏加热到室温以上，再结晶温度以下的某个适当温度进行挤压，其特点是成型压力低，尺寸精度接近或相当于冷挤零件，且可连续生产。故利用温挤成型来生产钎头，可避免冷、热挤压及车，铣削成型的不足，主要表现在:

(1)金属材料的温挤成型，可隆低变形抗力，从而降低设备吨位，减轻模具的负荷。

(2)温挤成型时，金属组织不发生相变，也没有过度的加工硬化，工件表面氧化极微，有与冷挤相当的尺寸精度，但无须后续退火工艺，且纤维流线沿轮连续分布，有利于提高零件的耐疲劳强度。

(3)温挤压成形可采用压力机连续生产，效率数十倍于车、铣削工艺。

2.工艺过程及工艺参数的确定

2.1确定工艺路线

为了减少变形程度、降低变形抗力，应采用与钎头圆柱部分直径相同的圆形棒料作为毛坏，坏料长度根据零件的体积确定。另外，为了提高凸模成型时的稳定性，坯料的一端应加工与凸模弧面相同的凹坑(见图2)。钎头温挤成型工艺流程如图3所示。

2.2确定成型温度

一般认为温挤成型中坯料加热温度要求在室温以上，工件材料的再结品温度以下。具体确定成型温度时，应考虑成形力、工件精度和模具寿命等因素。成形温度越低，表面氧化少，工件精度高，但变形抗力大，设备吨位和模具负荷增加；成形温度越高，变形抗力下降，有利于工件的成形，但表面氧化严重，工件精度也随之下降。

钎头的材料为40Cr钢，从保证工件的精度要求和延长模具使用寿命等方面考虑，在坏料表面不发生严重氧化和内部金相组织不发生相变的前提下，应尽可能提高加热温度，以降低成型压力。在实验中，采用2500Hz，100KW的中频感应电炉加热，当加热到 750℃时，坏料镦粗后基本没有氧化皮脱落；当加热到850℃时，镦粗后仅有很薄的一层氧化皮脱落；当加热到950℃时，坯料表面氧化严重，镦粗后，可发现有较多的氧化皮脱落。另外， 40cr钢在正挤成型、变形程度为60%的条件下，坏料温度700℃时，其变形抗力为1100MPa；当坏料温度提高到850℃时，其变形抗力为690MPa，下降了38%。故从提高工件精度和延长模具使用寿命来考虑，坯料的加热温度确定为:850℃+50℃。

2.3润滑剂的选择

温挤成型能否顺利进行与坯料的润滑是否合理有直接的关系。因为良好的润滑能降低变形抗力、降低设备吨位、减少模具的磨损，提高工件的表面质量。温挤成型润滑剂首先应具有足够的热稳定性，即在成型温度下仍能保持良好的润滑效果。其次应具有良好的粘附性，在一定温度下能均匀粘附在坯料或型腔的表面，不堆积成厚的薄膜。

目前，温挤成型所用的润滑剂种类较多，有的在热态下工作性能下降，有的润滑效果好，但使用不方便。通过多次试验比较，以二硫化钼油剂、玻璃粉、硼砂等为主要成份的润滑剂，在成型前均匀地涂涮在凸模和型腔表面，可以取得较好的润滑效果。一般情况下，模具的使用寿命可达1万件左右。

3. 模具设计

3.1模具结构设计

因为钎头的形状为上小下大，为了脱模方便，凹模采用哈夫分型结构，模具结构如图4所示，工作过程如下；

模具在开启位置时，将加热到预定温度的毛坏置入凹模型腔，由型腔的园柱面定位。然后液压机横梁下行，凸模进入型腔，还料金属在凸模的压力下发生塑性变形，并充满型腔。成形结束后，液压机横梁上行，凸模离开型腔，启动液压机的顶出油缸，顶出油缸的顶出力通过顶杆作用在凹模上使凹模向上运动；同时，凹模受模框T形槽的限制，产生横向开模动作，当开模宽度大于工件的最大直径后，工件即可卸下。

3.2 模具主要工作零件的设计

3.2.1 凹模锥度α的确定

在哈夫分型结构中，凹模拼块与模框采用锥面配合，其锥度《的选择很重要。成型时凹模拼块受力如图5所示，P--成型时金属坯料作用在凹模拼块上的胀模力，N--模框作用在拼块上的正压力，F--摩擦力。把胀模力P进行分解，平行于配合面的分力P1＝Psinα，垂直于配合面的分力P2＝Pcosα。

在垂直于配合面的方向:N-P2＝0，N＝P2＝Pcosα。

在平行于配合面的方向:P1＝Psinα，F＝f·N=f·Pcosα。当α增加，P1增加，F减小，凹模拼块容易上浮，哈夫模分开，产生飞边，工件尺寸也会发生变化。如果是圆锥形凹模，上浮后，凹模与模框之间的面接触变成线接触，凹模拼块在胀模力产生的弯矩作用下极易扳裂，这是圆锥形凹模失效的主要原因。因此，从凹模受力来考虑，锥角α不能取得太大。

另一方面，凹模拼块的开模距离S与顶出行程日的关系如图6所示。顶出行程H-S/tgα，(开模距离S只与工件直径有关)上式中，α越小，顶出行程日越大，凹模与模框的配合长度减少，顶出时容易造成凹模拼块失稳而倾翻。因此，从凹模顶出来考虑，锥角α不能取得太小。

经多次分析与实验，锥角α取15°左右时，获得了满意的效果。

3.2.2 止动装置的设计

成型结束后，凸模上行时，如果工件对凸模的包紧力较大就会把凹模拼块提起来，凹模自动分型，工件就包在凸模上不能分开。为了克服这一缺点，需要在模具上设计凹模止动装置，如图7所示。凸模上行时，两止动销限制了凹模拼块的横向开模动作，加上T形槽的作用，型腔就无法向上运动，这样凸模与工件就能有效分开，然后利用顶出装置把工件从型腔中顶出。

4.结束语

由上述的研究分析和实验可知，钎头由原来的车、铣削成型工艺改为温挤成型，不仅在技术上是可行的，通过实验已得到了合格的产品，而且在经济上也有十分可观的效益，生产效率和材料利用率得到了显著提高。因此，温挤成型作为一种少无切削成型的新工艺，对于成型精度高、形状复杂的零件具有普遍的使用和推广价值。