专利名称：一种中碳低合金结构钢的深孔挤压成形工艺的制作方法
技术领域：
本发明属于金属材料成型工艺领域，涉及一种中碳低合金结构钢的深孔挤 压成形工艺。
背景技术：
中碳低合金结构钢包括40Cr、 42CrMo、 40MnB、 40CrMnMo、 35CrMo、 35CrMnSi 、 40CrV等。目前，这类材质的空心件的挤压成形方法主要有反挤压，如
图1所示； 正挤压，如图2所示；正反挤压同时进行的复合挤压。由于这类材质的金属变 形抗力较大，受模具强度及结构的限制，挤压成形金属坯料的温度高于80(TC， 属于热挤压，而且，空心件内孔的表面质量较差，挤压成形对金属组织及其力 学性能的改善也不明显；同时，在挤压成形过程中金属变形抗力会对冲头或芯 轴产生一偏心力，迫使冲头或芯轴偏离坯料的中心。因此，要求冲头具有较高 的刚性，模座及设备的导向刚性、精度要求较高，挤压空心件的壁厚差较大， 达到2。4毫米，而且挤孔深度越大，壁厚差越大，因此，挤孔的深度也受到限 制，通常孔深与孔径之比小于5。
由于无法解决挤压成形过程中存在的两个问题第一、金属的变形抗力大;
第二、金属变形抗力对冲头形成偏心力，因此，现有的挤压成形方法反挤压、
正挤压和复合挤压难以加工孔深与孔径之比大于10的空心件，由于，上述两个
问题都与金属的变形方法有关，而不同的金属变形方法遵循不同的金属流动规 律，其变形抗力的大小及变形抗力的分布也是不同的，反挤压的变形抗力约为
正挤压变形抗力的60%。由此可见，设计出一种降低挤压成形过程中金属的变 形抗力和减小金属变形抗力对冲头形成的偏心力的挤压成形工艺，用于挤压成 形孔深与孔径之比大于10的空心件，解决细长空心杆件的挤压成形问题显得尤
为必要。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种降低挤压成形过程中金属的变形抗力和减小 金属变形抗力对冲头形成的偏心力的中碳低合金结构钢的深孔挤压成形工艺，
用于挤压成形孔深与孔径之比大于10的空心件，解决细长空心杆件的挤压成形问题。
本发明是这样实现的金属坯料置于内壁有台阶的筒形凹模内，筒形凹模内 壁的形状尺寸与挤压工件的外形的形状尺寸对应，冲头直径小于凹模直径，凹 模直径与冲头直径之差的二分之一为挤压工件的壁厚，当冲头向下挤压时，坯 料的上端保持不动，坯料的下端沿凹'模筒壁向下挤出，根据深孔成形的要求采 用一根或多根冲头挤压。
将挤压成形的坯料分成A、 B、 C三个区A区为不变形区，其位置保持不变； B区为变形区；C区为刚性下移区，冲头轴心线处的变形区宽度为零，从轴心线 沿径向变形区的宽度逐渐变宽，在冲头外圆表面处达到最宽；在冲头横截面上 轴向变形抗力的分布是冲头轴心处变形抗力最小，沿径向逐渐变大，在冲头 外圆表面处达到最大，当冲头周围金属坯料的壁厚均匀时，由于轴心线处的金 属变形抗力最小，冲头将沿坯料的中心向下挤压；当冲头周围金属坯料的壁厚 不均匀时，由于金属流动的方向与冲头的挤压方向相同，较薄的一边金属流动 较剧烈、成形温度也较低，较薄一边金属坯料会形成较大的径向变形抗力迫使 冲头向较厚的一边移动，因此，在挤压成形的过程中，冲头始终会受到由金属 变形抗力形成的向心力，迫使冲头沿坯料的中心向下挤压。
在挤压成形的过程中，金属变形抗力比反挤压、正挤压都要小，为反挤压
的60-70 % ，为正挤压的35-45 。％;
上述深孔挤压成形方法在挤压成形过程中冲头始终会受到由变形抗力形成
的向心力，使冲头不偏离坯料中心。这样一来，挤压成形过程对冲头的刚性要 求降低，冲头的外形尺寸可以更细长，即冲孔的深度与孔径之比可以更大，挤 压成形孔深与孔径之比大于10，挤压工件的壁厚大于5毫米。另外，挤压成形 过程对模座及挤压成形设备的导向刚性要求降低，这样一来，可以简化模座及 挤压成形设备的结构。深孔挤压成形方法的金属变形抗力比反挤压、IH挤压大
幅度降低，挤压成形温度可以低于共析转变温度723'C，即可以进行温挤压，温 挤压可以显著地改善金属的组织结构及其力学性能，挤压成形后材料的强度与 调质热处理的强度相同，挤压成形后材料的韧性大于调质热处理的韧性；挤压 成形后材料的内孔表面粗糙度为3.2^1.6，孔径公差为士0.2毫米，空心件的 壁厚也较均匀，孔壁厚差小于1.5毫米。
综上所述，本发明能够高质量地完成中碳低合金结构钢孔深与孔径之比大 于10的深孔挤压成形。该项技术适用于细长空心杆件的挤压成形，如汽车空心 半轴的挤压成形。
本发明的有益效果在挤压成形过程中冲头始终会受到由金属变形抗力形 成的向心力，迫使冲头不偏离坯料的中心；挤压力比反挤压、正挤压都要小， 约为反挤压的66%、正挤压的40%,孔深与孔经之比大于10，孔壁厚差小于 1.5毫米；可以在低于723r (共析转变温度)的温度下进行深孔温挤压成形， 能够获得比调质热处理更好的强度和韧性的综合机械性能。
具体实施例方式
图l、现有技术的金属反挤压的变形原理不意图。
图2、现有技术的金属反挤压时冲头横截面上轴向变形抗力的分布示意图。
图3、现有技术的金属正挤压的变形原理示意图。 图4、本发明金属深孔挤压的变形原理示意图。图5、本发明金属深孔挤压时冲头横截面上轴向变形抗力的分布示意图。 图6、本发明实施例l挤压前的毛坯图。
图7、本发明实施例1深孔挤压第一工步图。 图8、本发明实施例1深孔挤压第二工歩图。
图9、本发明实施例2挤压前的毛坯图。
图10、本发明实施例2深孔挤压第一工歩图。 图11、本发明实施例2深孔挤压第二工歩图。
图l中冲头l，金属坯料2，凹模3，上、下箭头表示冲头和金属坯料的运 动方向。
图2中曲线4表示轴向变形抗力的分布、Fmax、 Fmin分别表示最大和最 小变形抗力。
图3中冲头5、金属坯料6、凹模7、向下的箭头表示冲头和金属坯料的 运动方。
图4中冲头8、金属坯料9、凹模IO、向下的箭头表示冲头和金属坯料的 运动方。
图5中曲线11表示轴向变形抗力的分布、Fmax、 Fmin分别表示最大和最 小变形抗力。 实施例1
材质为42CrMo、不带法兰盘的空心杆件的深孔挤压工步图。 图6表示挤压前的毛坯，棒料直径67豪米、长度322.36毫米；图7表示深 孔挤压第一工步图，冲头直径51毫米，冲头长度320毫米，第一工步的挤孔直 径51毫米、孔深303.7毫米；图8表示深孔挤压第二工歩图，冲头直径42毫
米，冲头长度600毫米，第二工步的挤孔直径42毫米、孔深554.66毫米。第 一、第二工步金属坯料置于同一凹模中，筒形凹模内壁的形状尺寸与挤压工件 的外形的形状尺寸相同，根据深孔成形的要求采用两根冲头挤压，只更换冲头， 该空心杆件的孔深与孔径之比为12，挤压工件的壁厚大于5毫米。 实施例2
材质为42CrMo、带法兰盘的空心杆件的深孔挤压工步图。 图9表示挤压前的毛坯图，毛坯由一法兰盘和一杆部组成，杆部直径83豪 米、长度357. 14豪米；图IO表示深孔挤压第一工歩图，冲头直径66.8毫米， 冲头长度400毫米，第一工步的挤孔直径66. 8毫米、孔深334毫米；图11表 示深孔挤压第二工歩图，冲头直径53.8毫米，冲头长度700毫米，第二工步的 挤孔直径53. 8毫米、孔深645. 94毫米。第一、第二工步金属坯料置于同一凹 模中，筒形凹模内壁的形状尺寸与挤压工件的外形的形状尺寸相同，根据深孔 成形的要求采用两根冲头挤压，只更换冲头。该空心杆件的孔深与孔径之比为 10.9。
权利要求
1、一种中碳低合金结构钢的深孔挤压成形工艺，其特征在于金属坯料置于内壁有台阶的筒形凹模内，筒形凹模内壁的形状尺寸与挤压工件的外形的形状尺寸对应，冲头直径小于凹模直径，凹模直径与冲头直径之差的二分之一为挤压工件的壁厚，当冲头向下挤压时，坯料的上端保持不动，坯料的下端沿凹模筒壁向下挤出，根据深孔成形的要求采用一根或多根冲头挤压。
2、 根据权利要求1所述的一种中碳低合金结构钢的深孔挤压成形工艺，其 特征是将挤压成形的坯料分成A、 B、 C三个区A区为不变形区，其位置保持 不变；B区为变形区；C区为刚性下移区，冲头轴心线处的变形区宽度为零，从 轴心线沿径向变形区的宽度逐渐变宽，在冲头外圆表面处达到最宽；在冲头横 截面上轴向变形抗力的分布是冲头轴心处变形抗力最小，沿径向逐渐变大， 在冲头外圆表面处达到最大，当冲头周围金属坯料的壁厚均匀时，由于轴心线 处的金属变形抗力最小，冲头将沿坯料的中心向下挤压；当冲头周围金属坯料 的壁厚不均匀时，由于金属流动的方向与冲头的挤压方向相同，较薄的一边金 属流动较剧烈、成形温度也较低，较薄一边金属坯料会形成较大的径向变形抗 力迫使冲头向较厚的一边移动，因此，在挤压成形的过程中，冲头始终会受到 由金属变形抗力形成的向心力，迫使冲头沿坯料的中心向下挤压。
3、 根据权利要求1或2所述的一种中碳低合金结构钢的深孔挤压成形工艺， 其特征是在挤压成形的过程中，金属变形抗力比反挤压、正挤压都要小，为 反挤压的60-70%，为正挤压的35-45%，
4、 根据权利要求3所述的一种中碳低合金结构钢的深孔挤压成形工艺，其 特征是挤压成形孔深与孔径之比大于10,挤压工件的壁厚大于5毫米。
5、 根据权利要求3所述的一种中碳低合金结构钢的深孔挤压成形工艺，其 特征是挤压成形温度可以低于共析转变温度723t:，即可以进行温挤压，挤压 成形后材料的强度与调质热处理的强度相同，挤压成形后材料的韧性大于调质 热处理的韧性。
6、 根据权利要求3所述的一种中碳低合金结构钢的深孔挤压成形工艺，其 特征是挤压成形后材料的内孔表面粗糙度为3.2^1.6，孔径公差为士0.2毫 米，孔壁厚差小于1.5毫米。
全文摘要
本发明属于金属材料成型领域，涉及一种中碳低合金结构钢的深孔挤压成形工艺，金属坯料置于内壁有台阶的筒形凹模内，筒形凹模内壁的形状尺寸与挤压工件的外形的形状尺寸对应，冲头直径小于凹模直径，凹模直径与冲头直径之差的二分之一为挤压工件的壁厚，当冲头向下挤压时，坯料的上端保持不动，坯料的下端沿凹模筒壁向下挤出，根据深孔成形的要求采用一根或多根冲头挤压。本发明在挤压成形过程中冲头始终会受到由金属变形抗力形成的向心力，迫使冲头不偏离坯料的中心；挤压力约为反挤压的66％、正挤压的40％，孔深与孔经之比大于10，孔壁厚差小于1.5毫米；可以在低于共析转变温度723℃以下进行深孔温挤压成形，能够获得比调质热处理更好的强度和韧性的综合机械性能。
文档编号B21C23/02GK101362156SQ200810107078
公开日2009年2月11日 申请日期2008年9月5日 优先权日2008年9月5日
发明者邓晓光 申请人:邓晓光