1 概述
六凸面套筒是一種新型套筒扳手的關(guān)鍵組合件，按其形狀屬于軸對稱通孔零件，但在端面上均布六個凸面，高度和寬度尺寸均為6mm，一端內(nèi)孔呈方形中14×14mm，是用來與手柄（或接頭）的方榫配合的一端。形狀十分復雜，其開頭及尺寸如圖1所示。過去加工六凸面套筒頭的工藝是：用直徑￠26mm圓鋼毛坯加熱后模鍛及在沖床上切邊，然后再進行車、鉆、銑、插等金屬切削加工方法制得，其生產(chǎn)工序多而復雜，質(zhì)量也不易保證，材料單耗及耗能均較高，生產(chǎn)效率較低，造成較高的生產(chǎn)成本。
隨著機械工業(yè)的迅速發(fā)展，冷模鍛的應用愈來愈多。除了具有較高的精度以外，更迫切的是要解決復雜的形狀，同時還要不斷提高制件的內(nèi)在質(zhì)量，減少原材料的消耗及機械加工工時，提高生產(chǎn)率，促使降低產(chǎn)品成本。
冷模鍛技術(shù)是近年來逐漸研制和推廣應用的一項新型模鍛工藝。其基本原理是在封閉的型腔中，采用上下兩個模具對毛坯進行鐓粗——擠壓成形。它可使毛坯在鍛壓設備一次行程中獲得利用第均顯著提高。
2 工藝分析
六凸面套筒頭零析材料為40Gr合金結(jié)構(gòu)鋼，其供應狀態(tài)強度高、變形抗力大、塑性較差，具有加工硬化現(xiàn)象存在，難以進行大變形量的冷模鍛成形工藝是完全可行的。
冷模鍛成形工藝的成形尺寸精度可達IT7～IT8級，表面精糙度可達0.4μm～0.8μm以上。本六凸面套筒頭的表面粗糙度為3.2μm,l因此，采用冷模鍛成形工藝可滿足該零件的技術(shù)要求。
六凸面套筒頭冷模鍛工藝的生產(chǎn)工藝過程是：下料→退火→冷模鍛。整個金屬塑性成形的特點是在單次進行有效的閉式冷模得到所需的制件形狀及尺寸。
3 工藝設計[1][2][3]
冷模鍛工藝設計是冷模鍛設計工作的第一步，它的好與壞，直接關(guān)系到制件質(zhì)量、成本、生產(chǎn)效率及模具壽命等。
3.1 冷模鍛件圖的制訂
根據(jù)六凸面套筒頭零件圖及冷模鍛工藝的基本要求，設計時應考慮解決下列問題：
（1）確定分模面位置 為使冷模鍛件容易從模具中取出，并要求鐃得鐓粗擠壓充填成形的良好效果，同時考慮到開模時制件留在下模，因此，按該零件的形狀，分模面的位置應選擇在最大的外徑處，見圖2中的A—A。
（2）余量、公差及余塊 六凸面套筒頭冷模鍛后，其外形的尺寸精度及表面粗糙都已達到圖紙上的技術(shù)要求，不需再進行機械加工，故就不再加入余量。由于中心孔徑￠26mm和方形榫中14×14mm是通孔連接，但考慮到模具容易磨損，應加放余塊，制成盲孔?？紤]到下料毛坯的尺寸有公差，故在制件的一端高度加放1mm余量。其它尺寸的公差均在零件的公差范圍內(nèi)，其數(shù)據(jù)查閱手冊。
（3）模鍛斜度 為了使制件冷模鍛后，易于從上模型腔中脫離而留在下模，因此在六個凸面的直邊設有模鍛斜度30′。該斜度也作為工作時容易插入相應的凹槽內(nèi)。
（4）圓角半徑 冷模鍛件尖角處的圓角半徑直接影響著冷模鍛時的金屬流動、型腔充滿、冷模鍛力、模具磨損和制件轉(zhuǎn)角處流通線切斷等。按該零件的尺寸查閱手冊。
根據(jù)以上所得的數(shù)據(jù)，繪制出六凸面套筒頭冷模鍛件圖，如圖2所示。
3.2 毛坯尺寸的選擇
在六凸面套筒頭冷模鍛件圖（圖2）中，其上端外徑￠28mm之間選定一尺寸作為毛坯的直徑。這一尺寸既能滿足許用變形程度的要求，又要當作毛坯在模具型腔中的定位作用。根據(jù)這一設計原則，經(jīng)所需的體積計算，選定直徑為￠27.8mm，毛坯長度34mm。
3.3 變形設備的選擇
冷模鍛加工，可在專用的擠壓機上，也可以在油壓機上進行。冷模鍛設備的工作方式和結(jié)構(gòu)在很大程度上決定了生產(chǎn)率、工作精度通用性和生產(chǎn)的安全性。
一般說來，較高的滑塊速度，必然帶來較高的生產(chǎn)率。機械壓力機和操作速度，通常比油壓機高，這是它所具有的突出優(yōu)點之一。它的缺點是滑快的速度是隨著滑塊的行程微量改變的，在行程的中間，速度最大，當滑塊行至下死點時，速度減小到零。而油壓機和優(yōu)點是在全行程內(nèi)提供不變的壓力，它的缺點主要是一次工作循環(huán)時間較長，行程次數(shù)較少，生產(chǎn)效率低。
根據(jù)本零件的形狀及變形工藝的要求，可選用曲軸式機械壓力機。該設備結(jié)構(gòu)簡單，工作行程和能量都較大，并且行程次數(shù)也很高，符合大批量的生產(chǎn)要求。
3.5 毛坯制坯處理
根據(jù)冷模鍛工藝的要求，必需對毛坯材料進行制坯處理，它包括軟化處理表面處理及潤滑處理，其工藝介紹如下：
（1）軟化處理 中高強度合金鋼40Gr在供應狀態(tài)下的硬度HB>217，材料晶粒粗大不均、塑性較差、變形抗力大，若不經(jīng)軟化退火處理而直接進行冷模鍛，則成形困難，模具極易損壞。因此，為降低坯料變形抗力、提高塑性，在冷模鍛成形前需對材料進行軟化退火處理，其退火規(guī)范如圖3所示。經(jīng)軟化退火后坯料硬度為HB150。
（2）表面處理 表面是冷模鍛工藝的一道關(guān)鍵工序，它的好壞對表面質(zhì)量及模具壽命都有很大的影響。本毛坯采用磷化處理，其處理過程如下：
?、偾宄砻嫒毕?；
?、谇謇?，去油，清洗；
?、廴コ砻嫜趸瘜?；
?、芾渌逑矗?br/> ?、葜泻吞幚?；
⑥冷水清洗；
⑦磷化處理，其化學配方及工藝如下：
氧化鋅（ZnO） 9g/L
磷酸（H3PO4) 23mL/L
水（H2O） 1L
總酸度 16～20點
游離酸度 2.5～4.5點
處理溫度 85～95℃
處理時間 30～40min
（3）潤滑處理 潤滑處理的目的是使毛坯在冷模鍛過程中，獲得適合于塑性流動的變形條件，提供有足夠韌性，能經(jīng)受重壓而不致?lián)p壞的潤滑層，以降低模具載荷，減少磨損，延長模具使用壽命。本毛坯采用皂化處理，其配方及工藝如下：
硬脂酸鋅（C17H35COONa） 5～９g/L
水（H2O） 1L
處理溫度 60～70％
處理時間 10min
4 冷模鍛模具設計[1][2]
冷模鍛模具與其它加工模具相比，由于冷模鍛時的單位很高，模具處于非常惡劣的條件下工作，故極易失效。因此，在設計冷模鍛時應滿足如下的主要要求：
（1）保證模具在惡劣的工作條件下，具有足夠的強度和剛度，特別是工作部分應選擇合理的幾何形狀采用強韌性很好的模具材料。
（2）模具的緊固應可靠，對中性能要好。
（3）模具的易損部分裝拆方便。
（4）模具的方便而靈活的頂出裝置。
（5）具有良好的導向裝置。
在考慮上述設計的條件下，根據(jù)六凸面套筒頭冷模鍛件的具體形狀及尺寸，設計了如圖4所示的冷模鍛模具結(jié)構(gòu)。
該模具結(jié)構(gòu)分上下兩部分。模具型腔是由上凸模3、上凸模鑲塊6、凹模7、頂圈鑲塊10及下凸模11組成。采用三層組合凹模，即凹模7、中加強圈8及外加強圈9。上模座1、下模座15的導向完全靠導柱17及導套18的尺寸精度予以保證。
六凸面套管頭冷模鍛工藝的工作過程是：經(jīng)軟化退火處理的合金鋼40Gr毛坯放入凹模7中進行冷模鍛。當滑塊回程時，因制件16六個凸面上的模鍛斜度30′再加上上凸模頂端的模鍛斜度3°，所以冷模鍛后的制作16是留在凹模7內(nèi)，在滑塊繼續(xù)回程中，通過壓力機的頂桿、頂出桿13及頂圈鑲塊10將制件16頂出，才能取出制件16。
5 結(jié)論
在當今手工具迅速發(fā)展及廣泛應用情況下，追求產(chǎn)品價格及質(zhì)量的競爭日益劇烈。采用先進的冷模鍛成形技術(shù)是一頂行之有效的最佳途徑，它既能提高產(chǎn)品質(zhì)量及材料利用率，又可明顯減少機械加工工時，從而大大降低了產(chǎn)品成本，經(jīng)濟效益顯著。
