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關鍵字： 挺柱體；冷擠壓工藝；模具；16MnCr5 摘　要： 制定出16MnCr5坯料的合理軟化退火工藝規范，設計合理的模具結構，在160噸氣壓式沖床上進行了挺柱體坯件的冷擠壓成形加工。冷擠壓加工的挺柱體坯件具有較高的尺寸精度和表面質量，而且其內孔型腔表面光潔平整，無毛刺、裂紋和折疊等缺陷，完全達到了挺柱體零件的使用要求。

燃油噴射系統是汽車發動機的關鍵部件，其質量的優劣直接影響到汽車的行駛速度、燃油消耗量以及環境污染等問題。如圖1所示，挺柱體作為載重汽車燃油噴射系統的關鍵零件，其市場需求量越來越大；該挺柱體的內孔型腔不僅形狀復雜、各截面過渡部分的圓角很小（其中最小的圓角僅為R0.5），采用機械切削加工方法無法加工。對于該零件，上海某企業曾采用熱精密模鍛工藝進行鍛件生產；該工藝方法不僅后續加工余量大、材料利用率低、能源消耗大；同時由于熱鍛時坯料氧化和燒損以及模具的軟化變形使得成形鍛件的內孔型腔有錐度存在、各截面過渡部分的圓角較大，而且內孔表面光潔度差、始終有拉毛現象存在，無法滿足挺柱體零件的使用要求；而且模具壽命很低，其沖頭使用壽命最多達到800～1000件，有時沖頭的工作部位在沖壓200件左右時就出現塌角等現象。

因此，對挺柱體的加工工藝進行研究，以提高挺柱體的生產效率和挺柱體品質，達到節能、節材和降低生產成本的目的，將具有顯著的經濟效益和社會價值。

1 成形工藝分析

1.1  挺柱體的結構特點

圖1所示為挺柱體，其外表面形狀非常簡單，但其內孔型腔形狀復雜、各截面過渡部分的圓角很小（其中最小的圓角僅為R0.5），同時內腔表面要求光滑平整、無毛刺、劃痕、裂紋和折疊等缺陷存在；要求內、外表面粗糙度在Ra3.2μm以下，以確保挺柱體的正常工作，防止鐵屑、毛刺等夾雜物進入噴射系統內堵塞細小的噴油孔。

1.2  16MnCr5鋼的工藝特性

該挺柱體的材料為16MnCr5鋼，該鋼是參照德國DIN標準在上海上鋼五廠生產。其標準化學成分（質量分數，%）為：0.14～0.19C,1.0～1.3Mn,0.8～1.1Cr,Si≤0.40,P和S均≤0.035,屬于低碳低合金鋼，其供貨狀態的硬度值為205～210HB。該材料與20CrMo鋼類似，通過合理的軟化退火處理以后，強度較低、塑性很好，是典型的冷成形材料。

冷擠壓成形工藝

2.1 16MnCr5棒料的軟化退火工藝

由于熱軋狀態下的16MnCr5棒料各部位的硬度不均勻，塑性差，變形抗力大，若不經軟化退火處理而直接進行冷擠壓加工，則成形困難、模具容易損壞、擠壓件容易產生裂紋，因此在冷擠壓成形前需對坯料進行軟化退火處理。由于細小、均布、球狀的晶粒組織具有較低的硬度和最佳的塑性，因此本工藝采用等溫球化退火工藝對16MnCr5鋼進行軟化退火；為了節約能源、便于組織生產，選擇將坯

料加熱到該鋼種的Ac1以上30℃的等溫球化退火工藝，16MnCr5鋼的Ac1值約為726℃。因此，軟化退火溫度取760℃±15℃，保溫時間10小時，軟化退火設備為5噸容量的鐘罩爐。經軟化退火的坯料硬度應控制在HB100~120之間。

2.2  冷擠壓坯件的制備

    經過軟化退火的棒料在帶鋸床上下成短坯料，然后再在儀表車床上加工外圓及兩端面；加工完后的坯件要求外圓不存在氧化皮等缺陷、兩端面應平整。

2.3  坯件的表面處理及其潤滑

為了獲得內孔尺寸精度高、表面光潔的挺柱體冷擠壓件，要求在冷擠壓成形前對坯件進行良好的表面凈化和潤滑處理。本工藝中采用磷化與涂MoS2的表面處理工藝，其工藝流程為：堿洗 →水洗→酸洗→水洗→磷化→清洗→震蕩機上涂MoS2。

2.4  冷擠壓成形工藝試驗

     由于該零件的產量很大，同時零件長度方向尺寸較短，因此選用了160噸氣壓式沖床，它能滿足生產工藝要求。

3  模具結構與設計

3.1  冷擠壓模具結構

該挺柱體的冷擠壓模具結構如圖2所示，它具有以下特點：

（1）模架結構簡單。模具采用了自身導柱的導向系統，結構緊湊，導向精度高，能很好地保證挺柱體冷擠壓件的內腔形狀和外形的同軸度。不需要在模架上設置復雜的導柱、導套導向系統，既減少了模架的加工難度又節約了模具材料。

（2）模架備有可調頂出行程的拉桿頂出機構：將下橫梁和拉桿組成的頂出機構與沖床的錘頭相連接，在擠壓終了后的沖床回程過程中，處于沖床工作臺面下部的拉桿機構將挺柱體冷擠壓件從模腔中頂出。其中拉桿和下橫梁由高強度螺母連接，可以方便地調節頂出行程；拉桿和下橫梁均采用45鋼調質處理制成。

3.2  組合凸模設計

組合凸模有沖頭與沖頭套組成，見圖3。其中沖頭固定部分為圓柱形直桿結構，與沖頭套內孔為緊配合；沖頭套是外圓具有1.5°錐度的錐套，它與上模套之間是過盈配合；利用沖頭套與上模套之間的錐度過盈配合，將沖頭牢固而準確地夾緊固定。

沖頭的工作部分由高精度線切割加工而成，拋光后的表面粗糙度在Ra0.8μm以下。沖頭材料選用具有高強度和高硬度同時又具有良好韌性的LD鋼，坯料應進行改鍛和球化退火處理，淬火回火后的硬度應控制在HRC58～62之間；沖頭套材料為Cr12，熱處理后的硬度為HRC56～60。

3.3  組合凹模設計

組合凹模由下模芯、下模內套和下模鑲塊組成，見圖3。其中下模鑲塊和下模芯都是短圓筒形件，加工制造方便，制造成本很低；下模鑲塊與下模芯為緊配合，下模芯與下模內套也是緊配合；下模內套是外圓具有1.5°錐度的錐套，它與下模外套之間是過盈配合；利用下模外套與下模內套之間的錐度過盈配合所產生的預應力將下模芯和下模鑲塊緊固。

下模芯及下模鑲塊均采用高碳高鉻模具鋼Cr12MoV，其熱處理后的硬度應控制在HRC56～60范圍內；下模內套材料選用5CrMnMo熱作模具鋼，其熱處理硬度控制在HRC45～50范圍內。

4   結束語

經過近3年的生產實踐表明，采用冷擠壓技術可以生產出內腔表面光潔(其表面粗糙度達到Ra0.8～1.6)、尺寸精度高（內腔形狀完全達到零件的設計要求，無需再進行后續切削加工）、無裂紋、無折疊、無毛刺等缺陷的精密挺柱體冷擠壓件，見圖4；而且冷擠壓模具加工制作簡單、模具安裝調試方便；同時該冷擠壓模具的使用壽命相當高，其沖頭使用壽命平均達到2000件以上，凹模使用壽命達到10000件以上。因此，能顯著地降低挺柱體的制造成本，提高生產效率，經濟效益和社會效益比較顯著。

參考文獻

[1] 洪深澤主編.擠壓工藝及模具設計.北京: 機械工業出版社.1996.

[2] 蔡俞，陸大魁.16MnCr5鋼軟化退火工藝.《金屬熱處理》.2001（12）.

[3] 伍太賓.階梯形黃銅殼體的冷擠壓模設計[J].《模具工業》.1998（1）：21～22.