機械設計及其自動化專業(yè) 某一機械制造加工工藝分析

汽車零件溫冷復合成形加工工藝分析摘要摘要：由于市場需求的快速變化和先進制造技術的發(fā)展，作為汽車零部件企業(yè)，只有以最低的運營成本生產(chǎn)高質(zhì)量的產(chǎn)品，才能在激烈的市場競爭中獲得競爭優(yōu)勢?；谀称嚵悴考圃炱髽I(yè)的資源和生產(chǎn)現(xiàn)狀，研究并應用基于精益生產(chǎn)理念的溫冷復合成形汽車零部件加工技術，以提高零部件生產(chǎn)的靈活性和適應市場快速變化的能力，降低生產(chǎn)成本，增強企業(yè)產(chǎn)品的競爭優(yōu)勢。本文以制動活塞、起動機花鍵軸和換擋塊為研究對象，主要從以下幾個方面進行研究:1、總結了溫冷復合成形技術的發(fā)展和工藝特點，介紹了生產(chǎn)方式的演變和發(fā)展，并提出了本課題的研究內(nèi)容。2、分析了溫冷復合成形的工藝內(nèi)容。根據(jù)制動活塞、起動電機花鍵軸和換擋塊的特點，提出了溫冷復合成形的工藝方案。關鍵詞：汽車零件；溫冷復合；工藝分析Abstract：Due to the rapid changes in market demand and the development of advanced manufacturing technology, as an auto parts enterprise, only by producing high-quality products at the lowest operating cost can it obtain competitive advantages in the fierce market competition. Based on the resources and production status of an automobile parts manufacturing enterprise, the warm and cold composite forming automobile parts processing technology based on lean production concept is studied and applied to improve the flexibility of parts production and the ability to adapt to rapid market changes, reduce production costs and enhance the competitive advantage of enterprise products. In this paper, the brake piston, the spline shaft of the starter and the shift block are taken as the research objects, and the research is mainly carried out from the following aspects: 1. Summarize the development and technological characteristics of warm-cold composite forming technology, introduce the evolution and development of production mode, and propose the research content of this topic. 2. The technological content of warm-cold composite forming is analyzed. According to the characteristics of brake piston, spline shaft of starting motor and gear shift block, a process scheme of temperature-cooling compound forming is proposed. Key words: auto parts; Warm-cold combination; Process analysis目錄目錄3一、緒論41.1引言41.2溫冷復合成形技術4二、典型汽車零件毛還溫冷復合成形工藝分析52.1溫冷復合成形的技術內(nèi)容62.1.1原材料及其熱處理62.1.2溫冷復合成形工藝設計62.1.3溫冷復合成形設備72.1.4溫鍛模具的冷卻與潤滑82.1.5表面處理82.2活塞毛還的溫冷復合成形工藝分析82.2.1活塞的鍛造成形技術82.2.2某制動器活塞原加工工藝92.2.3溫冷復合成形工藝方案11總結13致謝15參考文獻16一、緒論1.1引言汽車工業(yè)作為我國國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展將直接影響整個國民經(jīng)濟的發(fā)展。汽車零部件產(chǎn)業(yè)作為支柱產(chǎn)業(yè)，對整個汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起著重要的作用。近年來，隨著全球化的推進和我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，定制需求、市場的快速變化和產(chǎn)品生命周期的縮短，使得速度、敏捷性和競爭力成為企業(yè)面臨的最大挑戰(zhàn)。如何在不斷變化的市場環(huán)境中保持企業(yè)的活力和競爭力，已經(jīng)成為企業(yè)不斷探索和追求的目標。各種先進制造技術和生產(chǎn)模式的出現(xiàn)為企業(yè)找到了成功之路。提高產(chǎn)品生產(chǎn)線快速響應市場變化的能力，縮短生產(chǎn)周期以保證交貨時間，減少生產(chǎn)浪費，合理利用產(chǎn)能，提高產(chǎn)品質(zhì)量成為提高零部件制造企業(yè)整體競爭力的重要手段之一。采用先進的制造技術和對現(xiàn)有產(chǎn)品生產(chǎn)線的生產(chǎn)模式和操作的管理，有助于提高零部件工業(yè)對多品種和可變批次的快速變化的市場需求的快速適應能力。1.2溫冷復合成形技術溫冷復合成形技術是指冷鍛前溫鍛的復合工藝。溫鍛是20世紀90年代左右出現(xiàn)在國外的一種新工藝，但直到20世紀90年代以后才廣泛應用于汽車制造。溫鍛是加熱再結晶溫度下方的金屬進行鍛造。目前，對于黑色金屬和有色金屬，溫鍛的一般溫度范圍通常是從高于室溫到低于室溫。在溫鍛溫度范圍內(nèi)，材料的屈服應力普遍降低，可以明顯降低擠壓時模具上的壓力，同時可以顯著提高材料的變形程度，減少工序和中間處理的數(shù)量，可應用于冷鍛中難以加工的材料。與熱鍛相比，溫鍛工藝形成的產(chǎn)品不會發(fā)生強烈氧化，表面質(zhì)量好，尺寸公差小，甚至可以直接形成零件的工作面(無飛邊)，完全省略了后續(xù)加工，有效節(jié)約了原材料。碳鋼溫鍛、冷鍛和熱鍛的技術經(jīng)濟比較見表1-1。冷鍛前溫鍛復合工藝可以達到單獨冷鍛所能達到的尺寸精度和表面粗糖度，同時可以減少工序數(shù)量，使用小噸位壓力機。溫冷復合成形技術雖然優(yōu)勢明顯，但需要高精度專用設備，設備投資大，對模具的材料和結構要求較高，一般只用于大批量生產(chǎn)。汽車由20，000多個零件組成，包括大量軸對稱或旋轉對稱的復雜形狀零件，包括極爪、軸承內(nèi)外圈、軸直徑、行星輪、齒輪、聯(lián)軸器等。由于這些零件的形狀和材料特性，很難通過簡單的冷成型工藝生產(chǎn)它們。如果采用熱成型工藝，將消耗大量的原材料和能量，并留下一個大加工余量。一些難以加工的復雜面粉會增加生產(chǎn)成本，零件金屬纖維的連續(xù)性會在切割過程中受損，從而降低零件的機械性能。汽車零部件生產(chǎn)的特點是數(shù)量大。如果采用溫鍛工藝或溫冷復合成形工藝生產(chǎn)，可以充分發(fā)揮優(yōu)勢，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。因此，近年來溫冷復合成形技術在美國、日本、德國等發(fā)達國家得到了廣泛應用，并有逐步取代熱鍛工藝的趨勢。二、典型汽車零件毛還溫冷復合成形工藝分析汽車工業(yè)中有大量軸對稱或旋轉對稱零件。這些鍛件受到零件材料或形狀的限制，很難通過簡單的冷鍛工藝成形。采用熱鍛工藝，原材料和能源消耗大，后續(xù)加工量大。冷加工前溫鍛復合成形工藝可以達到單獨冷鍛所能達到的尺寸精度和表面粗糖度，同時可以減少工序數(shù)量，使用小噸位壓力機。本章分析了溫冷復合成形的工藝內(nèi)容，介紹了盤式制動器活塞和起動電機花鍵軸變速器換擋塊的三種典型類型。零件的常規(guī)鍛造工藝，并提出了溫冷復合成形工藝方案。2.1溫冷復合成形的技術內(nèi)容溫冷復合成形工藝設計是一項系統(tǒng)工程，由工藝本質(zhì)決定。它需要技術支持，包括原材料及其熱處理、溫冷復合成形工藝設計、溫冷復合成形設備、模具、表面處理、生產(chǎn)管理等。所有這些都是不可或缺的，如圖2-1所示。2.1.1原材料及其熱處理溫冷復合成形鍛件對原材料的一般要求如下:原材料的化學成分:碳含量、合金元素的種類和含量以及非金屬雜質(zhì)的含量，與抗變形能力有關，要求較低的硬化率和較高的塑性，否則會出現(xiàn)較大的抗變形能力和冷、熱脆性現(xiàn)象。碳化物分布和晶粒尺寸。不允許粒度在網(wǎng)狀碳化物及以下。表面狀況:表面不應有感應痕跡或劃痕。材料被軟化以獲得良好的塑性，并且在變形過程的中間設置退火過程以恢復硬化組織的塑性。除了奧氏體不銹鋼1CrL8NiTi通過外部火處理軟化外，所有其他鋼種都通過退火處理軟化。2.1.2溫冷復合成形工藝設計過程設計是整個系統(tǒng)工程的主要環(huán)節(jié)，是獲得合格產(chǎn)品的關鍵手段。原材料及其熱處理、溫冷復合成形設備、模具、表面處理和生產(chǎn)管理都是溫冷復合成形工藝順利發(fā)展的保證條件。溫冷復合成形工藝的基本流程如圖2-2所示。2.1.3溫冷復合成形設備溫冷復合成形壓力機的一般要求如下:機身具有高強度和剛性。如果采用高剛度的箱體結構，將動力驅(qū)動部分與傳動部分分開，可以提高冷溫鍛件的精度，延長模具的使用壽命。壓力機構的過載裝置，如金屬密封墊式液壓過載保護裝置，可以在壓力機過載時產(chǎn)生瞬時動作，從而使驅(qū)動系統(tǒng)分離，滑塊緊急停止，保護珍貴模具。有些設計采用直角多面長導軌。這樣做的目的是承受較大的偏心載荷，保護模具并長期保持產(chǎn)品的精度。采用強肘桿形式的傳動結構，滿足冷溫鍛造變形力大、變形速度慢的工藝要求。生產(chǎn)較高高度的深孔鍛件時，采用高位壓力機，在滑塊下止點以上較高位置能承受較大載荷。2.1.4溫鍛模具的冷卻與潤滑溫鍛生產(chǎn)過程中，溫鍛模具受高溫返回材料熱傳導的影響。氣溫一直在上升。在高溫高壓作用下，模具會變形，導致溫鍛件尺寸和形狀精度嚴重降低。因此，溫鍛模的型腔必須冷卻以保持在150-300。模具主要有兩種冷卻方法:(1)在模具結構上設置冷卻裝置，這不僅會減少模具的強度影響模具的使用壽命，同時也使模具結構復雜化，增加了模具的制造成本。(2)潤滑劑用于冷卻模具。在實際生產(chǎn)中，潤滑劑噴涂被廣泛用于潤滑和冷卻模腔。溫鍛潤滑劑除了滿足冷鍛的要求外，還需要:(1)承受2000兆帕以上的高壓；即使在溫鍛成形的溫度范圍內(nèi)，熱穩(wěn)定性好，潤滑效果好；(3)保溫性好，可減緩返料溫度的降低和升模速度；(4)可以在溫鍛成形范圍內(nèi)均勻地附著在返回材料或模具的表面上，而不會積累或形成厚膜。溫鍛常用潤滑劑有水基聚合物石墨潤滑劑和油基石墨潤滑劑。油基石墨潤滑該潤滑劑具有良好的潤滑效果，但油在高溫下會燃燒產(chǎn)生煙霧，污染環(huán)境并惡化工作條件。因此，水基聚合物石墨潤滑劑通常用于實際生產(chǎn)中。2.1.5表面處理冷鍛時，流動金屬與模具表面之間會產(chǎn)生較高的擠壓應力，鋼的擠壓應力可達2000-2500兆帕。因此，返回表面上的潤滑層質(zhì)量可以決定加工的成功并影響模具的使用壽命。目前，碳鋼及合金結構鋼零件冷鍛前的表面處理和潤滑方法是華福。使用磷鋅酸保護膜作為金屬發(fā)煙層，在性能、生產(chǎn)率和經(jīng)濟性方面是常用的方法。磷化和發(fā)煙工藝如下:脫脂(60)-水洗(常溫)-酸洗(常溫)-水洗(常溫)-水洗(常溫)-熱水洗滌(80)-流動處理(80-90)-水洗(常溫)-中和(60)-皂化處理(80-90)-自然干燥。奧氏體不銹鋼的表面處理方法是草酸鹽處理，潤滑處理是脂肪堆加混合溶液。溫鍛過程中的擠壓應力低于冷鍛過程中的擠壓應力，因此溫鍛過程中不進行上述表面處理過程，而是使用二硫化鉬進行潤滑。2.2活塞毛還的溫冷復合成形工藝分析2.2.1活塞的鍛造成形技術活塞部件包括4028活塞、7080活塞、圣達菲后活塞等?；钊考枰惺芨邷貧怏w的壓力，并通過活塞銷和連桿將壓力傳遞給曲軸，以在發(fā)動機氣紅中工作。因此，活塞在高溫高壓下長時間往復運動，負載連續(xù)變化。從上面可以看出，活塞部件承受著很大的壓力，需要很強的抗壓能力?；钊鳛槠嚨暮诵牟考?，其性能直接影響整個汽車的性能。目前，活塞主要由重力鑄造、壓力鑄造、鍛造等方式形成。鑄造活塞容易產(chǎn)生多種缺陷，如氣孔、縮孔和偏析。與鑄造工藝相比，通過塑性加工形成的鍛造活塞能夠獲得細化、流線分布的晶粒和更致密的內(nèi)部結構，不僅提高了機械性能，活塞的熱傳導明顯增強，活塞能夠適應更高的爆炸壓力，提高了活塞的工作可靠性。汽車的未來發(fā)展方向是高功率輸出和低油耗。未來設計的主流是將重量較輕的鍛造活塞應用于汽油發(fā)動機。然而，為了適應更高的爆破壓力(大于20MPa)，重型車輛和大功率內(nèi)燃機車的柴油機將逐漸采用鍛鋼活塞。鋁硅合金是目前國內(nèi)外鑄造鍋合金活塞的主要材料。其中，月桂含量約為12%的共晶月桂合金是應用最廣泛的合金，熱膨脹系數(shù)小，高溫性能好。然而，該合金塑性低，難以鍛造。常用的成形工藝是閉式或半閉式模鍛。如果采用等溫模鍛過程，可以獲得相對理想的效果。在變形過程中，等溫模鍛過程的模具和返回溫度將保持不變。其特點是模具和回程溫度在成形過程中保持不變。材料的抗變形能力降低，材料的塑性流動能力明顯提高，從而提高鍛件質(zhì)量。鍛鋼活塞主要由42CrMo和42crm4v代表的調(diào)制鋼和42crm4v代表的非調(diào)制鋼制成。鍛鋼活塞在高溫下具有高強度和低熱膨脹系數(shù)，有利于滿足內(nèi)燃機排放標準的要求。目前，鍛鋼活塞已在美國康明斯公司和德國休閑公司等國外廣泛使用。在中型和重型發(fā)動機上。隨著我國發(fā)動機性能要求的不斷提高，鍛鋼活塞已逐漸開始批量使用。2.2.2某制動器活塞原加工工藝圖2-3是特定制動活塞的部分示意圖，圖2-4是特定制動活塞的三維示意圖。零件的材料是10#鋼。從圖2-3和2-4可以看出，活塞的頂部面粉承受液體壓力的直接影響。頂層面粉下面有一個油孔和一個臺階。這一步會刮掉多余的潤滑油，然后將油從油孔中排出?；钊乖诨钊墓ぷ髦衅鹬鴮蜃饔?。制訂鍛件毛還圖如圖2-5所示。根據(jù)圖2-3的分析，該零件的擠壓工藝特點如下:根據(jù)零件的尺寸，孔深直徑比接近1，不屬于深孔擠壓；(2)零件為薄壁結構，擠壓斷面收縮率為:2.2.3溫冷復合成形工藝方案前一節(jié)對成形工藝路線的分析表明，如果活塞是通過冷擠壓成形的，材料的變形阻力相對較大，這往往受到模具強度的限制。如果每次允許變形程度小，大變形加工可先通過溫擠壓完成。制定活塞成型工藝路線，如圖2-6所示。原始還料的確定擠壓原材料釆用10#鋼，毛還尺寸按照還料體積等于鍛件成品體積的原則計算?；钊懠w積的計算采用三維建模后的體積計算工具得出：一般來說，毛干的外徑應該接近成品零件的直徑。為了便于毛干自由地放入模腔，毛干的外徑應該比凹模腔的尺寸小大約0.1毫米。總尺寸最終確定為直徑38.5毫米，高度32毫米，如圖2-7所示。溫擠壓工藝參數(shù)的確定根據(jù)沖壓材料的承載能力，10#鋼的擠壓溫度一般應高于650。如果擠壓在700-800下進行，可獲得較低的擠壓單位壓力。為了避免氧化和脫碳，溫擠壓溫度一般不應高于800。在650-800范圍內(nèi)擠壓，擠壓件表面光滑，沒有明顯的新脫碳層出現(xiàn)。擠壓材料的硬度小于退火材料的兩倍，因此溫擠壓的溫度范圍被確定為650-800，并且羊毛在擠壓之前不需要是軟化退火。用水基聚合物石墨作為潤滑劑，分別通過浸涂和噴涂對機頭和模具進行潤滑。溫擠壓加工設備為j53-300雙板式摩擦壓力機。摩擦壓力機打擊速度快，可以盡可能減少沖頭與高溫金屬返回材料的接觸時間，從而減少沖頭的熱變形和熱應力，有利于延長沖頭的使用壽命，在摩擦壓力機價格低廉，設備投資少。冷擠壓前處理是在溫擠壓過程中進行的，其晶粒尺寸不均勻，碳化物片狀不均勻。沒有退火處理，很難滿足大變形冷擠壓工藝的要求。為了降低材料的抗變形能力，提高塑性指標，中間預制應進行適當?shù)能浕幚?，以獲得細小均勻的鉤狀球形晶粒結構。球化退火后，中間預成型硬度應低于220HBW。中間預制的良好凈化和潤滑是獲得高表面質(zhì)量和易于成形的冷擠壓零件的必要條件。在此過程中，中間預制也采用華福處理工藝進行表面處理；表面處理后回程表面有一層光滑的保護膜，與回程表面緊密結合形成潤滑層，在冷擠壓過程中起到良好的潤滑作用。在此過程中，在Ya32-100四柱液壓機進行冷擠壓。根據(jù)上述工藝獲得的活塞鍛件如圖2-8所示。冷精整后，產(chǎn)品的內(nèi)孔中保留少量加工余量，外圓經(jīng)過少許研磨即可滿足產(chǎn)品要求。事實上，內(nèi)孔表面的粗糖度可達Ra1.6，外圓表面的粗糖度為Ra3.2。該工藝具有兩步成型的突出優(yōu)點，有效解決了一步成型中模具負荷高、應力大的問題。對于預鍛件的制造，溫擠壓成形工藝具有良好的塑性和較低的抗變形能力，并且由于溫度較低，變形過程中的動態(tài)回復和再結晶交替發(fā)生，弱化了加工硬化。同時，溫擠壓時的加熱溫度不高，氧化較少，組織的結構和性能也相應提高。冷擠壓的第二步不僅減小了擠壓力，延長了模具的使用壽命，也保證了最終鍛件的尺寸精度和表面粗糖度。總結本文介紹了加工工藝規(guī)范的設計原則和步驟。對其加工工藝設計中涉及的相關問題進行了分析和研究，主要包括定位基準的選擇、主表面的加工方法、主加工工藝和質(zhì)量控制。一般來說，溫冷復合成形羊毛只剩下少量的加工余量，所以選擇的加工路線不同于傳統(tǒng)的模鍛羊毛。根據(jù)溫冷復合材料成型中羊毛收縮的分析結果，設計了相應的加工工藝規(guī)范。根據(jù)該配方工藝規(guī)范的工藝試驗表明，該工藝方案是可行的，為其他類似零件的機械加工工藝規(guī)范設計提供了參考。致謝在撰寫本論文的過程中，我的導師投入了大量的精力，從主題選擇到開篇報告，從寫作大綱，到每篇論文中的具體問題，一遍又一遍，嚴格檢查和跟蹤誘惑。我表示衷心的感謝。與此同時，我還要感謝所有在我學習期間給予我非常關心和支持的老師以及關心我的同學和朋友。撰寫論文是一個系統(tǒng)學習的過程。論文的完成也意味著新學習生活的開始。我會記得我是一名學生，將在未來的工作中弘揚學校的優(yōu)良傳統(tǒng)。感謝您的批評和指導。參考文獻【1】朱懷沈，夏巨諶，金俊松，王新云，李大才大模數(shù)直齒輪溫冷鍛精整量的優(yōu)化選擇塑性工程學報，2011【2】徐祥龍冷溫鍛技術在汽車行業(yè)中的應用金屬加工：熱加工，2008【3】盛曉敏，鄧朝陣先進制造技術北京：機械工業(yè)出版社，2000【4】張根保，王時龍，徐宗俊先進制造技術重慶：重慶大學出版社，1996【5】曉青柔性制造技術決定汽車工業(yè)的未來世界制造技術與裝備市場，2009【6】陳英發(fā)企業(yè)實施精益生產(chǎn)的探討南方金屬，2004【7】王玖河精益生產(chǎn)方式下的現(xiàn)場管理價值工程，2002【8】劉樹華，魯建廈，王家堯編著北京：機械工業(yè)出版社，2009【9】詹姆斯沃麥克，英丹尼爾瓊斯，美丹尼爾魯斯著改變世界的機器北京：商務印書館，2003【10】邵景鏞，張鋒，冷，溫鍛車間的設計鍛造與沖壓，2012【11】達利，齊丕驤新型鋁活塞北京：國防工業(yè)出版社，1999【12】李鵬汽車發(fā)動機活塞設計的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢汽車工藝與材料，2008【13】游和清，馬勤鋁合金活塞裙等溫擠壓工藝的研究熱加工工藝，2007【14】謝建新編著材料加工新技術與新工藝北京：國防工業(yè)出版社2，004【15】劉世英，翟鵬，王志明高負荷柴油機鍛鋼活塞的研究開發(fā)內(nèi)燃機工程，2006【16】尹存宏，鄭偉剛，沈明明，等薄壁活塞的冷擠壓工藝分析及數(shù)值模擬熱加工工藝，2013【17】賈俐俐沖壓工藝及模具設計北京：人民郵電出版社，2008【18】馬斌，伍太賓冷溫鍛復合成形技術及其應用（上金屬加工：熱加工，2009【19】趙升噸，李泳嶧，范淑琴，孫振宇，張輯汽車花鍵軸零件的生產(chǎn)工藝綜述鍛壓裝備與制造技術，2012【20】周偉佐東風型汽車齒輪和花鍵主要參數(shù)汽車與配件，198517