一種精密冷鍛成形的凸輪片制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種精密冷鍛成形的凸輪片制造方法。所述制造方法包括以下步驟：A、預(yù)處理步驟，線(xiàn)材或棒料鋼材經(jīng)過(guò)退火、拉拔和潤(rùn)滑，使其適合冷鐓成型的第一胚體；B、冷鍛成形步驟，利用臥式或立式鍛壓機(jī)鍛壓出凸輪片；C、熱處理；其中，所述冷鍛成形步驟包含擴(kuò)擠工序。本發(fā)明由于采用擴(kuò)擠工藝，軸承鋼冷鍛凸輪首次成為可能；相比傳統(tǒng)的鐓粗工藝，大大降低了鍛造力；冷作硬化速度慢，不容易造成開(kāi)裂；模具壽命大大提高；在冷鍛過(guò)程中金相組織不會(huì)發(fā)生改變，表層組織沒(méi)有脫貧碳的風(fēng)險(xiǎn)；由于直接精擠或精整至最終使用輪廓，省去凸輪輪廓的磨削加工，大大降低了設(shè)備投資和零件成本。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種精密冷鍛成形的凸輪片制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種精密冷鍛成形的凸輪片制造方法。

【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，隨著人們低碳環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，低油耗、無(wú)污染、輕型化、低成本的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型越來(lái)越受到人們的廣泛關(guān)注。為了減少汽車(chē)尾氣排放污染、低油耗，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的高轉(zhuǎn)速、高輸出功率，許多發(fā)動(dòng)機(jī)采用多氣門(mén)及配氣相位、氣門(mén)升程可變的結(jié)構(gòu)。同時(shí)為了達(dá)到汽車(chē)輕型化、低成本的目的，在不影響各個(gè)零件性能的前提下，應(yīng)該使零件盡可能簡(jiǎn)化加工，降低重量、材料使用更合理。并且隨著發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓和直噴技術(shù)的采用，發(fā)動(dòng)機(jī)的強(qiáng)化程度越來(lái)越高，使得凸輪軸承受的應(yīng)力越來(lái)越大，整體凸輪軸的疲勞壽命就不能滿(mǎn)足要求，而采用裝配式凸輪軸就是一種較好的選擇。
[0003]傳統(tǒng)的凸輪軸制造方法主要是采用整體鑄造或整體鍛造凸輪軸毛坯，然后切削加工生產(chǎn)，這種傳統(tǒng)的方法很難制造出凸輪片密布排列的緊湊結(jié)構(gòu)凸輪軸。而且傳統(tǒng)方法制造凸輪軸，不僅使大量材料變成廢屑，在降低零件重量方面也難有作為。
[0004]而裝配式凸輪軸是將凸輪軸分成凸輪片、芯軸、軸頸等若干個(gè)可裝配件，分別進(jìn)行材料優(yōu)化及精益加工，再組裝成整體凸輪軸的新型組合設(shè)計(jì)與現(xiàn)代制造模式。其優(yōu)勢(shì)在于:I)可實(shí)現(xiàn)柔性設(shè)計(jì)、柔性生產(chǎn)與敏捷制造。在裝配過(guò)程中，可實(shí)現(xiàn)凸輪片相位角與軸向位置的控制、調(diào)整與修正，有利于新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造，縮短新產(chǎn)品研制周期。2)有利于材料分體優(yōu)化與凸輪軸結(jié)構(gòu)形式選擇?？筛鶕?jù)配氣機(jī)構(gòu)對(duì)凸輪軸各個(gè)部位的性能的要求不同，在同一凸輪片軸上合理選擇不同的凸輪片、軸頸與芯軸材料。保證其扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度、剛度、彎曲性能、降低成本。3)可針對(duì)不同零件采用最適宜的熱處理技術(shù)與表面強(qiáng)化技術(shù)，因而可顯著提高凸輪片工作曲面抗點(diǎn)蝕和耐磨性，避免整體凸輪軸熱處理過(guò)程中產(chǎn)生的變形，從而大幅度提高凸輪軸的制造精度、質(zhì)量和使用壽命。4)提高凸輪軸整體剛度。針對(duì)不同的凸輪片材料與連接技術(shù)，其動(dòng)態(tài)扭矩可達(dá)800-1000Nm，并可降低摩擦、承受較高的閥門(mén)沖擊載荷。5)空心管芯軸、凸輪片材料的優(yōu)化及精密成型技術(shù)的應(yīng)用，可使凸輪軸整體重量降低20%-40%，節(jié)約材料可達(dá)30%以上。
[0005]而凸輪片制造工藝經(jīng)歷了熱鍛成型、溫鍛成型、冷鍛成型等階段，目前先進(jìn)的生產(chǎn)工藝都是采用冷鍛成型工藝，冷鍛成型的凸輪片具有輕量化、耐磨性好、強(qiáng)度高、一致性好、生廣效率聞等優(yōu)點(diǎn)。
[0006]現(xiàn)有一種凸輪片(如圖1)所示:經(jīng)過(guò)熱鍛成型(見(jiàn)圖2)后，再對(duì)凸輪輪廓進(jìn)行磨削加工，保證凸輪片的精度。熱鍛成型工藝的缺點(diǎn)是:1.一旦溫度超過(guò)相變溫度，零件局部組織發(fā)生轉(zhuǎn)變，甚至淬硬，存在開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。2.由于材料加熱溫度較高，熱脹冷縮，鍛件尺寸變化大，必須留足夠的余量，保證后續(xù)加工。3.現(xiàn)有的熱鍛工藝所需要的鍛造力都較大，模具壽命低。
[0007]經(jīng)過(guò)溫鍛成型(見(jiàn)圖3)后，再對(duì)凸輪輪廓進(jìn)行磨削加工，保證凸輪片的精度。溫鍛成型工藝的缺點(diǎn)是:1.材料需要被加熱，設(shè)備比較復(fù)雜，成本高。2.溫鍛操作環(huán)境比較惡劣。3.溫鍛成型中，由于采用感應(yīng)加熱，溫度控制較困難，設(shè)備調(diào)試和低速狀態(tài)下，材料有可能被加熱超過(guò)相變溫度，存在質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。
[0008]冷鍛成型(見(jiàn)圖4)，按照常規(guī)成型方式:先拍扁到符合外形尺寸，然后再?zèng)_孔。但由于高碳軸承鋼或合結(jié)鋼冷變形塑性差，不易成形，在較大型變量的拍扁過(guò)程中變形量較大(變形后面積-變形前面積/變形前面積>1.5)，鍛件存在開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)；并且冷態(tài)條件下，高碳軸承鋼或合結(jié)鋼冷的變形抗力較大，因此需要的變形壓力較大，一般冷鍛設(shè)備不足于滿(mǎn)足其成形噸位。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明創(chuàng)造的目的在于提供一種凸輪片的加工成型工藝，該凸輪片材料采用高碳軸承鋼或合結(jié)鋼，用冷鍛成形工藝做到符合最終使用要求的凸輪片，不必再做凸輪輪廓的磨削加工。
[0010]本發(fā)明的具體技術(shù)路線(xiàn)是:
一種精密冷鍛成形的凸輪片制造方法，其特征在于所述制造方法包括以下步驟:
A、預(yù)處理步驟，線(xiàn)材或棒料鋼材經(jīng)過(guò)退火、拉拔和潤(rùn)滑，使其適合冷鐓成型的第一胚體；
B、冷鍛成形步驟，利用臥式或立式鍛壓機(jī)鍛壓出凸輪片；
C、熱處理；
其中，所述冷鍛成形步驟包含擴(kuò)擠工序。
[0011]由于在外載作用下，擴(kuò)擠工序中，利用擠壓沖頭強(qiáng)行通過(guò)預(yù)加工的孔會(huì)在孔的周?chē)a(chǎn)生塑性變形區(qū)，在擠壓沖頭通過(guò)后，塑變層受到其外層彈性區(qū)的擠壓，在孔壁處即形成一個(gè)彈塑性變形層，形成有利的殘余壓應(yīng)力分布，當(dāng)結(jié)構(gòu)承受循環(huán)外載作用時(shí)，殘余壓應(yīng)力可以降低了承載部位周?chē)睦瓚?yīng)力，使平均應(yīng)力水平大大降低，延長(zhǎng)了裂紋萌生的時(shí)間，降低了裂紋擴(kuò)展速率，提高了結(jié)構(gòu)件疲勞強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕的能力。同時(shí)，擠壓過(guò)程能使孔壁金屬組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使位錯(cuò)密度升高，增加了鍛件的微觀內(nèi)應(yīng)力。
[0012]熱處理的作用:
1.調(diào)整工件的硬度、強(qiáng)度、塑性和韌性，達(dá)到使用性能要求；
2.穩(wěn)定組織與尺寸，保證精度；
3.改善和提高加工性能。
[0013]所述冷鍛成形步驟，利用臥式或立式鍛壓機(jī)鍛壓出比最終輪廓略大的凸輪片，然后經(jīng)過(guò)去應(yīng)力退火或球化退火，再經(jīng)過(guò)一次整形達(dá)到最終尺寸要求的凸輪片。
[0014]應(yīng)力退火:也叫去應(yīng)力退火，其目的是改善或消除鋼鐵在鑄造、鍛壓、軋制和焊接過(guò)程中所造成的各種組織缺陷以及殘余應(yīng)力，防止工件變形、開(kāi)裂；軟化工件以便進(jìn)行切削加工；細(xì)化晶粒，改善組織以提高工件的機(jī)械性能；為最終熱處理(淬火、回火)作好組織準(zhǔn)備。
[0015]所述冷鍛成形步驟由以下工序組成:
B1:墩粗工序，將第一胚體加工成上部含有一個(gè)凸塊的第二胚體；
B2:沖壓工序，將第二胚體沖壓成兩側(cè)不同深度工孔的第三胚體；
B3:沖孔工序，將第三胚體兩個(gè)工孔之間的連接部貫通，形成含中部通孔的第四胚體； B4:擴(kuò)擠工序，利用擠壓沖頭對(duì)第四胚體進(jìn)行擴(kuò)擠，將預(yù)設(shè)的凹模充滿(mǎn)后即得到凸輪片。
[0016]本方案墩粗工序跟現(xiàn)有技術(shù)有所不同，本方案中墩粗的型變量較小，對(duì)于冷鍛設(shè)備的噸位要求較低，可以有效地降低制造成本。
[0017]由于凸輪片存在一個(gè)凸圓部，從材料流動(dòng)分析來(lái)說(shuō)，這樣事先在預(yù)成形件一側(cè)多出來(lái)一部分材料，在下一步由圓形變成凸圓形的過(guò)程中，當(dāng)沖頭接觸工件壓下來(lái)時(shí)多出部分首先接觸到凹模然后材料向一側(cè)流動(dòng)，填充到凸圓形凸出來(lái)的地方；相對(duì)沒(méi)有上述預(yù)成形，而直接擠壓圓形，當(dāng)一邊接觸到凹模時(shí)，單純地靠增加壓力硬把材料擠到多出部分，這樣不僅材料流動(dòng)困難，難以成形，而且當(dāng)材料一邊接觸模具繼續(xù)擠壓時(shí)，擠壓會(huì)成倍增加，模具壽命大大縮短，設(shè)備也很難滿(mǎn)足要求。
[0018]工件左右兩側(cè)的工孔深度不可互換，原因是孔深側(cè)為沖模側(cè)，孔淺側(cè)為主模側(cè)，主模側(cè)工孔如果過(guò)深的話(huà)會(huì)造成工件在頂出時(shí)滯留在主模沖棒上，當(dāng)下一個(gè)坯料再由夾手放入此模具時(shí)，兩個(gè)工件會(huì)疊加在一起。
[0019]所述沖壓工序得到的兩個(gè)工孔形狀為底部較小的圓臺(tái)形，兩個(gè)工孔之間的連接部厚度為第三胚體整體厚度的三分之一。
[0020]所述中部通孔為凸輪片成品孔直徑的409Γ70%。本發(fā)明通過(guò)鐓粗、鐓壓、沖孔得到一個(gè)帶孔的坯料，其圓柱外圓一側(cè)有突起，其孔的直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于凸輪片成品內(nèi)孔，僅為成品孔直徑的409Γ70% ;而常規(guī)的做法是直接鐓粗到接近成品尺寸，沖孔的孔徑略大于或略小于成品孔徑；因此本發(fā)明新工藝的沖孔所浪費(fèi)的材料更少。
[0021]所述擠壓沖頭是具有錐形頭部的圓柱體。
[0022]所述凸塊的體積占整個(gè)第二胚體體積的十分之一，形狀為底部較大的圓臺(tái)形。
[0023]所述擴(kuò)擠工序，在利用擠壓沖頭對(duì)第四胚體進(jìn)行擴(kuò)擠、將預(yù)設(shè)的凹模充滿(mǎn)得到凸輪片的過(guò)程中，擠壓沖頭正反兩向?qū)Φ谒呐唧w的中部通孔進(jìn)行擴(kuò)擠。
[0024]精密冷鍛成形的凸輪片制造方法中用的一種擠壓沖頭，其特征在于所述擠壓沖頭前端為錐形頭部，主體為直徑與錐形頭部的底面直徑一致的圓柱體。
[0025]所述擠壓沖頭兩端均呈錐形，錐形頭部的底面直徑小于凸輪片中部通孔直徑，錐形底部的底面直徑與凸輪片中部通孔直徑一致，主體為直徑與錐形頭部的底面直徑一致的圓柱體。
[0026]傳統(tǒng)的擴(kuò)擠工藝可能存在物料流向一致導(dǎo)致的產(chǎn)品緊密度不夠，存在細(xì)微空洞，影響產(chǎn)品質(zhì)量。本方案的擴(kuò)擠方法和擠壓沖頭，能帶來(lái)兩種方向的物料排列，大大減少了細(xì)微空洞特別是凸輪片中間通孔表面存在細(xì)微空洞的可能性。
[0027]本方案中凸輪片冷鍛過(guò)程中(見(jiàn)圖5)采用了擴(kuò)擠工藝，即先鍛壓一個(gè)帶小直徑孔的坯料，然后用前端為錐形的沖頭擴(kuò)擠小孔，在增大孔徑的同時(shí)，使材料徑向流動(dòng)，達(dá)到凸輪片外形尺寸要求。
[0028]與現(xiàn)有凸輪片成型技術(shù)相比，本發(fā)明的工藝成型的有益效果在于:
由于采用擴(kuò)擠工藝，軸承鋼冷鍛凸輪首次成為可能。
[0029]錐形沖頭的軸向力轉(zhuǎn)變成作用在被擴(kuò)擠工件的徑向力。由于沖頭的錐角很小，徑向力可以成倍的增加。這樣就需要很小的軸向力，相比傳統(tǒng)的鐓粗工藝，大大降低了鍛造力。
[0030]相比傳統(tǒng)的鐓粗工藝，由于工件材料在徑向擠壓至完全填充滿(mǎn)模具之前，受力較小，冷作硬化速度慢，不容易造成開(kāi)裂等缺陷。
[0031]模具壽命大大提高。主要原因是傳統(tǒng)的鐓粗工藝，鐓粗工序的受力太大，超出現(xiàn)有模具材料的許用應(yīng)力。
[0032]冷鍛工藝制造的凸輪片，在冷鍛過(guò)程中金相組織不會(huì)發(fā)生改變。表層組織沒(méi)有脫貧碳的風(fēng)險(xiǎn)。
[0033]由于直接精擠或精整至最終使用輪廓，省去凸輪輪廓的磨削加工，大大降低了設(shè)備投資和零件成本。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0034]圖1是凸輪片結(jié)構(gòu)示意圖。
[0035]圖2是現(xiàn)有技術(shù)凸輪片熱鍛成型示意圖。
[0036]圖3是現(xiàn)有技術(shù)凸輪片溫鍛成型示意圖。
[0037]圖4是現(xiàn)有技術(shù)凸輪片冷鍛成型示意圖。
[0038]圖5是本發(fā)明凸輪片冷鍛成型示意圖。
[0039]圖6是本發(fā)明擠壓沖頭結(jié)構(gòu)示意圖。
[0040]圖7是本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例擠壓沖頭結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0041]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0042]實(shí)施例1
如圖5所示，凸輪片采用高碳軸承鋼或合結(jié)鋼的線(xiàn)材或棒料鋼材經(jīng)過(guò)退火、拉拔和潤(rùn)滑，使其適合冷鍛成型；然后利用臥式或立式鍛壓機(jī)經(jīng)過(guò)冷鍛成型工藝(見(jiàn)圖5)擠壓出凸輪片最終輪廓；接下來(lái)鍛件經(jīng)過(guò)應(yīng)力退火(或球化退火)；最后再經(jīng)過(guò)一次擠壓整形達(dá)到最終尺寸要求。
[0043]一種精密冷鍛成形的凸輪片制造方法，包括以下步驟:
A、預(yù)處理步驟，線(xiàn)材或棒料鋼材經(jīng)過(guò)退火、拉拔和潤(rùn)滑，使其適合冷鐓成型的第一胚體；
B、冷鍛成形步驟，利用臥式或立式鍛壓機(jī)鍛壓出凸輪片；
C、熱處理；
其中，所述冷鍛成形步驟包含擴(kuò)擠工序。
[0044]優(yōu)化地，所述冷鍛成形步驟由以下工序組成:
B1:墩粗工序，將第一胚體加工成上部含有一個(gè)凸塊的第二胚體；
B2:沖壓工序，將第二胚體沖壓成兩側(cè)不同深度工孔的第三胚體；
B3:沖孔工序，將第三胚體兩個(gè)工孔之間的連接部貫通，形成含中部通孔的第四胚體； B4:擴(kuò)擠工序，利用擠壓沖頭對(duì)第四胚體進(jìn)行擴(kuò)擠，將預(yù)設(shè)的凹模充滿(mǎn)后即得到凸輪片。
[0045]工件左右兩側(cè)的工孔深度不可互換，原因是孔深側(cè)為沖模側(cè)，孔淺側(cè)為主模側(cè)，主模側(cè)工孔如果過(guò)深的話(huà)會(huì)造成工件在頂出時(shí)滯留在主模沖棒上，當(dāng)下一個(gè)坯料再由夾手放入此模具時(shí)，兩個(gè)工件會(huì)疊加在一起。
[0046]所述沖壓工序得到的兩個(gè)工孔形狀為底部較小的圓臺(tái)形，兩個(gè)工孔之間的連接部厚度為第三胚體整體厚度的三分之一。
[0047]所述擠壓沖頭是具有錐形頭部的圓柱體。
[0048]所述凸塊的體積占整個(gè)第二胚體體積的十分之一，形狀為底部較大的圓臺(tái)形。
[0049]優(yōu)化地，所述擴(kuò)擠工序，在利用擠壓沖頭對(duì)第四胚體進(jìn)行擴(kuò)擠、將預(yù)設(shè)的凹模充滿(mǎn)得到凸輪片的過(guò)程中，擠壓沖頭正反兩向?qū)Φ谒呐唧w的中部通孔進(jìn)行擴(kuò)擠。
[0050]實(shí)施例2
精密冷鍛成形的凸輪片制造方法中用的一種擠壓沖頭，其前端為錐形頭部。
[0051]優(yōu)化地，所述擠壓沖頭兩端均呈錐形，錐形頭部的底面直徑小于凸輪片中部通孔直徑，錐形底部的底面直徑與凸輪片中部通孔直徑一致。
【權(quán)利要求】
1.一種精密冷鍛成形的凸輪片制造方法，其特征在于所述制造方法包括以下步驟: A、預(yù)處理步驟，線(xiàn)材或棒料鋼材經(jīng)過(guò)退火、拉拔和潤(rùn)滑，使其適合冷鐓成型的第一胚體；第一胚體橫截面為圓形，或拉拔成類(lèi)似凸輪形狀，即一側(cè)是基圓，另一側(cè)有凸起； B、冷鍛成形步驟，利用臥式或立式鍛壓機(jī)鍛壓出凸輪片； C、熱處理； 其中，所述冷鍛成形步驟包含擴(kuò)擠工序。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的精密冷鍛成形的凸輪片制造方法，其特征在于所述冷鍛成形步驟，利用臥式或立式鍛壓機(jī)鍛壓出比最終輪廓略大的凸輪片，然后經(jīng)過(guò)去應(yīng)力退火或球化退火，再經(jīng)過(guò)一次整形達(dá)到最終尺寸要求的凸輪片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的精密冷鍛成形的凸輪片制造方法，其特征在于所述冷鍛成形步驟由以下工序組成: B1:鐓粗工序，將第一胚體加工成上部含有一個(gè)凸塊的第二胚體； B2:鐓壓工序，將第二胚體沖壓成兩側(cè)不同深度沉孔的第三胚體，并將上下兩端面壓平整； B3:沖孔工序，將第三胚體兩個(gè)沉孔之間的連接部沖通，形成含中部通孔的第四胚體； B4:擴(kuò)擠工序，利用擠壓棒對(duì)第四胚體進(jìn)行擴(kuò)擠，最后擠壓端面，將預(yù)設(shè)的凹模充滿(mǎn)后即得到凸輪片。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的精密冷鍛成形的凸輪片制造方法，其特征在于所述中部通孔為凸輪片成品孔直徑的40°/Γ70%。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的精密冷鍛成形的凸輪片制造方法，其特征在于所述擠壓沖頭是具有錐形頭部的圓柱體。
6.如權(quán)利要求1所述精密冷鍛成形的凸輪片制造方法中用的擠壓沖頭，其特征在于擠壓沖頭的前端為錐形頭部，主體為直徑與錐形頭部的底面直徑一致的圓柱體。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的擠壓沖頭，其特征在于所述擠壓沖頭兩端均呈錐形，錐形頭部的底面直徑小于凸輪片中部通孔直徑，錐形底部的底面直徑與凸輪片中部通孔直徑一致，主體為直徑與錐形頭部的底面直徑一致的圓柱體。
【文檔編號(hào)】C21D7/10GK104148574SQ201410309218
【公開(kāi)日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年7月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月1日
【發(fā)明者】徐納 申請(qǐng)人:杭州新坐標(biāo)科技股份有限公司