1 概述
六凸面套筒是一種新型套筒扳手的關(guān)鍵組合件，按其形狀屬于軸對(duì)稱通孔零件，但在端面上均布六個(gè)凸面，高度和寬度尺寸均為6mm，一端內(nèi)孔呈方形中14×14mm，是用來與手柄（或接頭）的方榫配合的一端。形狀十分復(fù)雜，其開頭及尺寸如圖1所示。過去加工六凸面套筒頭的工藝是：用直徑￠26mm圓鋼毛坯加熱后模鍛及在沖床上切邊，然后再進(jìn)行車、鉆、銑、插等金屬切削加工方法制得，其生產(chǎn)工序多而復(fù)雜，質(zhì)量也不易保證，材料單耗及耗能均較高，生產(chǎn)效率較低，造成較高的生產(chǎn)成本。
隨著機(jī)械工業(yè)的迅速發(fā)展，冷模鍛的應(yīng)用愈來愈多。除了具有較高的精度以外，更迫切的是要解決復(fù)雜的形狀，同時(shí)還要不斷提高制件的內(nèi)在質(zhì)量，減少原材料的消耗及機(jī)械加工工時(shí)，提高生產(chǎn)率，促使降低產(chǎn)品成本。
冷模鍛技術(shù)是近年來逐漸研制和推廣應(yīng)用的一項(xiàng)新型模鍛工藝。其基本原理是在封閉的型腔中，采用上下兩個(gè)模具對(duì)毛坯進(jìn)行鐓粗——擠壓成形。它可使毛坯在鍛壓設(shè)備一次行程中獲得利用第均顯著提高。
2 工藝分析
六凸面套筒頭零析材料為40Gr合金結(jié)構(gòu)鋼，其供應(yīng)狀態(tài)強(qiáng)度高、變形抗力大、塑性較差，具有加工硬化現(xiàn)象存在，難以進(jìn)行大變形量的冷模鍛成形工藝是完全可行的。
冷模鍛成形工藝的成形尺寸精度可達(dá)IT7～I(xiàn)T8級(jí)，表面精糙度可達(dá)0.4μm～0.8μm以上。本六凸面套筒頭的表面粗糙度為3.2μm,l因此，采用冷模鍛成形工藝可滿足該零件的技術(shù)要求。
六凸面套筒頭冷模鍛工藝的生產(chǎn)工藝過程是：下料→退火→冷模鍛。整個(gè)金屬塑性成形的特點(diǎn)是在單次進(jìn)行有效的閉式冷模得到所需的制件形狀及尺寸。
3 工藝設(shè)計(jì)[1][2][3]
冷模鍛工藝設(shè)計(jì)是冷模鍛設(shè)計(jì)工作的第一步，它的好與壞，直接關(guān)系到制件質(zhì)量、成本、生產(chǎn)效率及模具壽命等。
3.1 冷模鍛件圖的制訂
根據(jù)六凸面套筒頭零件圖及冷模鍛工藝的基本要求，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮解決下列問題：
（1）確定分模面位置 為使冷模鍛件容易從模具中取出，并要求鐃得鐓粗?jǐn)D壓充填成形的良好效果，同時(shí)考慮到開模時(shí)制件留在下模，因此，按該零件的形狀，分模面的位置應(yīng)選擇在最大的外徑處，見圖2中的A—A。
（2）余量、公差及余塊 六凸面套筒頭冷模鍛后，其外形的尺寸精度及表面粗糙都已達(dá)到圖紙上的技術(shù)要求，不需再進(jìn)行機(jī)械加工，故就不再加入余量。由于中心孔徑￠26mm和方形榫中14×14mm是通孔連接，但考慮到模具容易磨損，應(yīng)加放余塊，制成盲孔。考慮到下料毛坯的尺寸有公差，故在制件的一端高度加放1mm余量。其它尺寸的公差均在零件的公差范圍內(nèi)，其數(shù)據(jù)查閱手冊(cè)。
（3）模鍛斜度 為了使制件冷模鍛后，易于從上模型腔中脫離而留在下模，因此在六個(gè)凸面的直邊設(shè)有模鍛斜度30′。該斜度也作為工作時(shí)容易插入相應(yīng)的凹槽內(nèi)。
（4）圓角半徑 冷模鍛件尖角處的圓角半徑直接影響著冷模鍛時(shí)的金屬流動(dòng)、型腔充滿、冷模鍛力、模具磨損和制件轉(zhuǎn)角處流通線切斷等。按該零件的尺寸查閱手冊(cè)。
根據(jù)以上所得的數(shù)據(jù)，繪制出六凸面套筒頭冷模鍛件圖，如圖2所示。
3.2 毛坯尺寸的選擇
在六凸面套筒頭冷模鍛件圖（圖2）中，其上端外徑￠28mm之間選定一尺寸作為毛坯的直徑。這一尺寸既能滿足許用變形程度的要求，又要當(dāng)作毛坯在模具型腔中的定位作用。根據(jù)這一設(shè)計(jì)原則，經(jīng)所需的體積計(jì)算，選定直徑為￠27.8mm，毛坯長度34mm。
3.3 變形設(shè)備的選擇
冷模鍛加工，可在專用的擠壓機(jī)上，也可以在油壓機(jī)上進(jìn)行。冷模鍛設(shè)備的工作方式和結(jié)構(gòu)在很大程度上決定了生產(chǎn)率、工作精度通用性和生產(chǎn)的安全性。
一般說來，較高的滑塊速度，必然帶來較高的生產(chǎn)率。機(jī)械壓力機(jī)和操作速度，通常比油壓機(jī)高，這是它所具有的突出優(yōu)點(diǎn)之一。它的缺點(diǎn)是滑快的速度是隨著滑塊的行程微量改變的，在行程的中間，速度最大，當(dāng)滑塊行至下死點(diǎn)時(shí)，速度減小到零。而油壓機(jī)和優(yōu)點(diǎn)是在全行程內(nèi)提供不變的壓力，它的缺點(diǎn)主要是一次工作循環(huán)時(shí)間較長，行程次數(shù)較少，生產(chǎn)效率低。
根據(jù)本零件的形狀及變形工藝的要求，可選用曲軸式機(jī)械壓力機(jī)。該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，工作行程和能量都較大，并且行程次數(shù)也很高，符合大批量的生產(chǎn)要求。
3.5 毛坯制坯處理
根據(jù)冷模鍛工藝的要求，必需對(duì)毛坯材料進(jìn)行制坯處理，它包括軟化處理表面處理及潤滑處理，其工藝介紹如下：
（1）軟化處理 中高強(qiáng)度合金鋼40Gr在供應(yīng)狀態(tài)下的硬度HB>217，材料晶粒粗大不均、塑性較差、變形抗力大，若不經(jīng)軟化退火處理而直接進(jìn)行冷模鍛，則成形困難，模具極易損壞。因此，為降低坯料變形抗力、提高塑性，在冷模鍛成形前需對(duì)材料進(jìn)行軟化退火處理，其退火規(guī)范如圖3所示。經(jīng)軟化退火后坯料硬度為HB150。
（2）表面處理 表面是冷模鍛工藝的一道關(guān)鍵工序，它的好壞對(duì)表面質(zhì)量及模具壽命都有很大的影響。本毛坯采用磷化處理，其處理過程如下：
①清除表面缺陷；
②清理，去油，清洗；
③去除表面氧化層；
④冷水清洗；
⑤中和處理；
⑥冷水清洗；
⑦磷化處理，其化學(xué)配方及工藝如下：
氧化鋅（ZnO） 9g/L
磷酸（H3PO4) 23mL/L
水（H2O） 1L
總酸度 16～20點(diǎn)
游離酸度 2.5～4.5點(diǎn)
處理溫度 85～95℃
處理時(shí)間 30～40min
（3）潤滑處理 潤滑處理的目的是使毛坯在冷模鍛過程中，獲得適合于塑性流動(dòng)的變形條件，提供有足夠韌性，能經(jīng)受重壓而不致?lián)p壞的潤滑層，以降低模具載荷，減少磨損，延長模具使用壽命。本毛坯采用皂化處理，其配方及工藝如下：
硬脂酸鋅（C17H35COONa） 5～９g/L
水（H2O） 1L
處理溫度 60～70％
處理時(shí)間 10min
4 冷模鍛模具設(shè)計(jì)[1][2]
冷模鍛模具與其它加工模具相比，由于冷模鍛時(shí)的單位很高，模具處于非常惡劣的條件下工作，故極易失效。因此，在設(shè)計(jì)冷模鍛時(shí)應(yīng)滿足如下的主要要求：
（1）保證模具在惡劣的工作條件下，具有足夠的強(qiáng)度和剛度，特別是工作部分應(yīng)選擇合理的幾何形狀采用強(qiáng)韌性很好的模具材料。
（2）模具的緊固應(yīng)可靠，對(duì)中性能要好。
（3）模具的易損部分裝拆方便。
（4）模具的方便而靈活的頂出裝置。
（5）具有良好的導(dǎo)向裝置。
在考慮上述設(shè)計(jì)的條件下，根據(jù)六凸面套筒頭冷模鍛件的具體形狀及尺寸，設(shè)計(jì)了如圖4所示的冷模鍛模具結(jié)構(gòu)。
該模具結(jié)構(gòu)分上下兩部分。模具型腔是由上凸模3、上凸模鑲塊6、凹模7、頂圈鑲塊10及下凸模11組成。采用三層組合凹模，即凹模7、中加強(qiáng)圈8及外加強(qiáng)圈9。上模座1、下模座15的導(dǎo)向完全靠導(dǎo)柱17及導(dǎo)套18的尺寸精度予以保證。
六凸面套管頭冷模鍛工藝的工作過程是：經(jīng)軟化退火處理的合金鋼40Gr毛坯放入凹模7中進(jìn)行冷模鍛。當(dāng)滑塊回程時(shí)，因制件16六個(gè)凸面上的模鍛斜度30′再加上上凸模頂端的模鍛斜度3°，所以冷模鍛后的制作16是留在凹模7內(nèi)，在滑塊繼續(xù)回程中，通過壓力機(jī)的頂桿、頂出桿13及頂圈鑲塊10將制件16頂出，才能取出制件16。
5 結(jié)論
在當(dāng)今手工具迅速發(fā)展及廣泛應(yīng)用情況下，追求產(chǎn)品價(jià)格及質(zhì)量的競(jìng)爭(zhēng)日益劇烈。采用先進(jìn)的冷模鍛成形技術(shù)是一頂行之有效的最佳途徑，它既能提高產(chǎn)品質(zhì)量及材料利用率，又可明顯減少機(jī)械加工工時(shí)，從而大大降低了產(chǎn)品成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著。
