用SPHC热轧板与新型模具冲制轴承座

GXF360 2017-08-25

展开全文

用SPHC热轧板与新型模具冲制轴承座

■张诚，王建庭

摘要：08Al是一种常用的拉深材料，但拉深性能不稳定，尺寸难以掌控，且价格昂贵。并且由于该材料含Al量高，材质粘性大，容易拉伤模具。进过反复论证、试验，我们找到了一种拉深性能稳定、成本低的SPHC材料。

关键词：SPHC；轴承座；冲压模具；渗碳

轴承座是带式输送机用托辊的重要零部件（见图1），属于深冲孔类零件。其焊接在托辊辊圈上，轴承、密封圈等零件均安装在轴承座内。冲压拉深后要保证内孔精度M7（0～－0.030mm）,表面粗糙度Ra1.6μm，径向圆跳动0.4mm、垂直度0.4mm、深度尺寸公差±0.2mm，各尺寸不易保证。我们通过运用新型冲压材料与改进轴承座冲压模这两种途径，来提高轴承座冲压质量。

1. 新型冲压材料

（1）S P H C牌号说明 SPHC为日本钢材牌号（日本标准JIS G3131-2005 Jan）中普通结构钢。全名为热轧钢板或钢带（S：钢材；P：板材；H：热轧；C：商业Commercial的缩写）。

（2）SPHC化学成分从表1可看出，SPHC热轧钢板含碳量小于0.25%，属于低碳钢。

（3）SPHC力学性能板料抗拉强度越高，冲压时板料能够承受的应力也就越高，因此也就越不容易发生断裂等现象，也就是说板料的拉深性能越好。从表2可看出，SPHC的抗拉强度在390MPa左右，远大于一般碳素结构钢等，在拉深过程中，不易发生拉裂等现象，这说明SPHC的拉深性很好。

在拉深过程中，板料主要发生塑性变形，尤其是深孔拉深，板料的变形程度已接近极限。板料屈服强度值越低，越容易产生塑性变形，起皱趋势也越小，对提高板料的极限变形程度也越有利。但从表中可以看出，SPHC的屈服强度值较高，也就是说板料的起皱趋势很大，不利于板料产生极限变形。

轴承座属于长径较大的拉深零件，较高的屈服强度使得板料起皱趋势很大，影响了其拉深性能。通过在模具上增加压边圈来减小板料起皱趋势，当压边力大于板料产生起皱时产生的力时，起皱趋势就会被抑制，避免废品的出现。

图1 轴承座

表1 SPHC化学成分（质量分数）（%）

序号C Si Mn P S Al AlS 1 0.055 0.016 0.342 0.010 0.008 0.055 0.05 2 0.070 0.032 0.291 0.018 0.021 0.034 0.029 3 0.055 0.016 0.363 0.014 0.011 0.033 0.030

表2 SPHC力学性能

序号抗拉强度/MPa屈服强度/MPa屈强比断面收缩率（%）1 390 320 0.82 33 2 395 325 0.82 31 3 390 315 0.81 34

压边力计算：压边力只需克服板料起皱趋势，因此压边力大于板料产生塑性变形时所需的力即可，压边力也不能过大，否则板料在模具内不能流动，造成工件拉裂。

压边力

F=AP

式中 F——压边力（N）；

A——凸缘面积（mm2）；

P——单位压边力（MPa）。

P=48（Z–1.1）D/t ×σb×10-5

式中 Z ——拉深系数倒数；

D ——毛坯直径；

t ——板料厚度；

σb——抗拉强度。

即P=4 8×（0.1 6-1.1）×229÷4×390×10-5=55.2MPa

A=1/4π（R2- r2）

式中 R——轴承座展开229mm；

r——凸缘内径140mm。

即A=1/4×3.14×（2292-1402） =25780（m m2）；F=55.2P=55.2×25780=1423.1（kN）。

板料抗拉强度越高，工件越不易发生拉裂等现象，但其需要拉深力较大，通过配备大吨位的冲压机就可以得到解决。

屈服强度值较高时，工件拉深时会产生起皱现象，是SPHC作为拉深材料的一种缺陷，我们已通过在模具上增加压边环来解决了这个问题。

经过大量试验，SPHC热轧钢板生产的轴承座质量完全能够满足图样要求，并且各项技术指标均非常稳定。

2. 冲压模具

因轴承座使用数量大、重量轻、刚性较低，并且是薄壁零件，所以采取冲压生产是最经济有效的手段。轴承座冲压生产一般采用冷冲模具（见图2）。

轴承座冲压生产分为落料、一次拉深、二次拉深、定径、整形、切边、冲底孔等七道工序，其中一次拉深、二次拉深、定径为主要工序。各工序均采用冲压模具生产，这种模具结构简单，操作方便，用于普通压力机，每分钟可以生产50件左右，对操作工人要求较低。但由于生产量巨大，冲压模具寿命成了制约产品质量的主要因素，因此，提高模具寿命成为亟需解决的问题。

想提高模具使用寿命，最主要手段就是提高模具工作部分的硬度与耐磨性。模具工作部分硬度低，造成模具易拉伤，影响轴承座内孔表面粗糙度，且易造成轴承座拉裂、掉底等废品。所以，提高轴承座工作部分硬度与耐磨性对提高产品质量和模具使用寿命有着非常重要的作用。

根据轴承座结构形式及尺寸精度要求，对轴承座冲压工艺进行了一系列理论计算（包括：轴承座展开后毛坯直径、各次拉深系数、拉深次数、各次拉深直径、拉深力等的计算）。已确定了轴承座冲压模具工作部分尺寸，但是怎样提高模具工作部分的硬度与耐磨性，还需要探讨。

提高机械零部件硬度与耐磨性的主要途径有以下几个途径：选取优质材料；采用合适的热处理方法；表面镀层。

轴承座拉深模常用材料为Cr12MoV、Cr12、9SiCr。采用传统热处理工艺，模具虽然在硬度、强度上能满足工艺要求，但使用寿命最多只能达到15 000件左右，往往工作几百件以后由于拉伤、粘着就需要对模具进行修理，严重时造成模具开裂导致模具报废。

选取优质模具材料和渗氮处理来提高模具工作部分硬度与耐磨性。经过查阅渗氮处理模具的相关技术资料和数据，到使用现场了解情况并进行了分析比对，通过改进模具材料及硬度，即采用硬质合金模和渗氮模来提高模具使用寿命，提高轴承座冲压质量与模具使用寿命。

落料模具采用合金模具钢，通过表面渗碳的方法增加模具韧性与耐磨性。

这样做的原因是：落料模具属于冲压模具，它的刃口部位受到很大的冲击力。所以落料模具不仅要有较高的心部韧性，防止刃口发生崩刃现象，还要有较高的耐磨性，减少刃口磨损。通过将模具表面进行渗氮处理，这样获得足够的心部韧性，又获得较高的表面硬度。

图2 冷冲模具

但模具工作表面淬火热处理后变形量不易控制且容易产生淬火裂纹，针对这一问题，通过改进模具制造工艺流程等手段解决了这些问题。

落料模原工艺流程：下料→锻造→退火→机加工→淬火、回火→精加工→交检使用。

改进后的工艺流程：下料→锻造→退火→机加工→淬火、回火→精加工+粗磨→去应力退火→气体渗氮→精磨→交检使用。

渗氮模在提高模具基体有足够强韧性的基础上，进一步提高模具的耐磨性，使型腔面的粘着性减少，工件的离型性得到改善。

经试验， C r 1 2 M o V、Cr12、9SiCr制成的冷作模具经淬火强韧处理后，再经气体渗氮处理，模具的基体部分有了较高的强韧性，而且模具表面渗氮层硬度为655～742HV，渗氮层厚度为0.5～0.6mm。模具工作部分具有高的硬度、耐磨性、疲劳强度、抗咬合性，并改善了零件的耐介质腐蚀能力，有效解决了模具工作部分硬度低，寿命短等缺陷，冲压模达到冲压工件60000件不需修磨。

拉深模具采用硬质合金，通过表面淬火的方法提高模具的耐磨性。一次拉深模具和二次拉深模具受到的冲击力很小。在拉深的过程中，板料在模具内流动，会产生很大的摩擦力，这也是拉深模具磨损的主要原因。模具出现磨损后，板料在模具内流动的摩擦力显著增加，当摩擦力大于板料的抗拉强度时，工件就会产生拉裂的现象。

采用整体硬质合金作为模具的材料，经淬火处理后，硬度可以达到62～65HRC。拉深后工件尺寸，拉深45万个轴承座后，仍未出现明显磨损现象，这说明整体硬质合金模具耐磨性大于常用的模具材料，适合做轴承座的拉深模具。