关键字： 挺柱体；冷挤压工艺；模具；16MnCr5 摘　要： 制定出16MnCr5坯料的合理软化退火工艺规范，设计合理的模具结构，在160吨气压式冲床上进行了挺柱体坯件的冷挤压成形加工。冷挤压加工的挺柱体坯件具有较高的尺寸精度和表面质量，而且其内孔型腔表面光洁平整，无毛刺、裂纹和折叠等缺陷，完全达到了挺柱体零件的使用要求。

燃油喷射系统是汽车发动机的关键部件，其质量的优劣直接影响到汽车的行驶速度、燃油消耗量以及环境污染等问题。如图1所示，挺柱体作为载重汽车燃油喷射系统的关键零件，其市场需求量越来越大；该挺柱体的内孔型腔不仅形状复杂、各截面过渡部分的圆角很小（其中最小的圆角仅为R0.5），采用机械切削加工方法无法加工。对于该零件，上海某企业曾采用热精密模锻工艺进行锻件生产；该工艺方法不仅后续加工余量大、材料利用率低、能源消耗大；同时由于热锻时坯料氧化和烧损以及模具的软化变形使得成形锻件的内孔型腔有锥度存在、各截面过渡部分的圆角较大，而且内孔表面光洁度差、始终有拉毛现象存在，无法满足挺柱体零件的使用要求；而且模具寿命很低，其冲头使用寿命最多达到800～1000件，有时冲头的工作部位在冲压200件左右时就出现塌角等现象。

因此，对挺柱体的加工工艺进行研究，以提高挺柱体的生产效率和挺柱体品质，达到节能、节材和降低生产成本的目的，将具有显著的经济效益和社会价值。

1 成形工艺分析

1.1  挺柱体的结构特点

图1所示为挺柱体，其外表面形状非常简单，但其内孔型腔形状复杂、各截面过渡部分的圆角很小（其中最小的圆角仅为R0.5），同时内腔表面要求光滑平整、无毛刺、划痕、裂纹和折叠等缺陷存在；要求内、外表面粗糙度在Ra3.2μm以下，以确保挺柱体的正常工作，防止铁屑、毛刺等夹杂物进入喷射系统内堵塞细小的喷油孔。

1.2  16MnCr5钢的工艺特性

该挺柱体的材料为16MnCr5钢，该钢是参照德国DIN标准在上海上钢五厂生产。其标准化学成分（质量分数，%）为：0.14～0.19C,1.0～1.3Mn,0.8～1.1Cr,Si≤0.40,P和S均≤0.035,属于低碳低合金钢，其供货状态的硬度值为205～210HB。该材料与20CrMo钢类似，通过合理的软化退火处理以后，强度较低、塑性很好，是典型的冷成形材料。

冷挤压成形工艺

2.1 16MnCr5棒料的软化退火工艺

由于热轧状态下的16MnCr5棒料各部位的硬度不均匀，塑性差，变形抗力大，若不经软化退火处理而直接进行冷挤压加工，则成形困难、模具容易损坏、挤压件容易产生裂纹，因此在冷挤压成形前需对坯料进行软化退火处理。由于细小、均布、球状的晶粒组织具有较低的硬度和最佳的塑性，因此本工艺采用等温球化退火工艺对16MnCr5钢进行软化退火；为了节约能源、便于组织生产，选择将坯

料加热到该钢种的Ac1以上30℃的等温球化退火工艺，16MnCr5钢的Ac1值约为726℃。因此，软化退火温度取760℃±15℃，保温时间10小时，软化退火设备为5吨容量的钟罩炉。经软化退火的坯料硬度应控制在HB100~120之间。

2.2  冷挤压坯件的制备

    经过软化退火的棒料在带锯床上下成短坯料，然后再在仪表车床上加工外圆及两端面；加工完后的坯件要求外圆不存在氧化皮等缺陷、两端面应平整。

2.3  坯件的表面处理及其润滑

为了获得内孔尺寸精度高、表面光洁的挺柱体冷挤压件，要求在冷挤压成形前对坯件进行良好的表面净化和润滑处理。本工艺中采用磷化与涂MoS2的表面处理工艺，其工艺流程为：碱洗 →水洗→酸洗→水洗→磷化→清洗→震荡机上涂MoS2。

2.4  冷挤压成形工艺试验

     由于该零件的产量很大，同时零件长度方向尺寸较短，因此选用了160吨气压式冲床，它能满足生产工艺要求。

3  模具结构与设计

3.1  冷挤压模具结构

该挺柱体的冷挤压模具结构如图2所示，它具有以下特点：

（1）模架结构简单。模具采用了自身导柱的导向系统，结构紧凑，导向精度高，能很好地保证挺柱体冷挤压件的内腔形状和外形的同轴度。不需要在模架上设置复杂的导柱、导套导向系统，既减少了模架的加工难度又节约了模具材料。

（2）模架备有可调顶出行程的拉杆顶出机构：将下横梁和拉杆组成的顶出机构与冲床的锤头相连接，在挤压终了后的冲床回程过程中，处于冲床工作台面下部的拉杆机构将挺柱体冷挤压件从模腔中顶出。其中拉杆和下横梁由高强度螺母连接，可以方便地调节顶出行程；拉杆和下横梁均采用45钢调质处理制成。

3.2  组合凸模设计

组合凸模有冲头与冲头套组成，见图3。其中冲头固定部分为圆柱形直杆结构，与冲头套内孔为紧配合；冲头套是外圆具有1.5°锥度的锥套，它与上模套之间是过盈配合；利用冲头套与上模套之间的锥度过盈配合，将冲头牢固而准确地夹紧固定。

冲头的工作部分由高精度线切割加工而成，抛光后的表面粗糙度在Ra0.8μm以下。冲头材料选用具有高强度和高硬度同时又具有良好韧性的LD钢，坯料应进行改锻和球化退火处理，淬火回火后的硬度应控制在HRC58～62之间；冲头套材料为Cr12，热处理后的硬度为HRC56～60。

3.3  组合凹模设计

组合凹模由下模芯、下模内套和下模镶块组成，见图3。其中下模镶块和下模芯都是短圆筒形件，加工制造方便，制造成本很低；下模镶块与下模芯为紧配合，下模芯与下模内套也是紧配合；下模内套是外圆具有1.5°锥度的锥套，它与下模外套之间是过盈配合；利用下模外套与下模内套之间的锥度过盈配合所产生的预应力将下模芯和下模镶块紧固。

下模芯及下模镶块均采用高碳高铬模具钢Cr12MoV，其热处理后的硬度应控制在HRC56～60范围内；下模内套材料选用5CrMnMo热作模具钢，其热处理硬度控制在HRC45～50范围内。

4   结束语

经过近3年的生产实践表明，采用冷挤压技术可以生产出内腔表面光洁(其表面粗糙度达到Ra0.8～1.6)、尺寸精度高（内腔形状完全达到零件的设计要求，无需再进行后续切削加工）、无裂纹、无折叠、无毛刺等缺陷的精密挺柱体冷挤压件，见图4；而且冷挤压模具加工制作简单、模具安装调试方便；同时该冷挤压模具的使用寿命相当高，其冲头使用寿命平均达到2000件以上，凹模使用寿命达到10000件以上。因此，能显著地降低挺柱体的制造成本，提高生产效率，经济效益和社会效益比较显著。

参考文献

[1] 洪深泽主编.挤压工艺及模具设计.北京: 机械工业出版社.1996.

[2] 蔡俞，陆大魁.16MnCr5钢软化退火工艺.《金属热处理》.2001（12）.

[3] 伍太宾.阶梯形黄铜壳体的冷挤压模设计[J].《模具工业》.1998（1）：21～22.