超长深孔管冷挤压后产生斜纹的分析及对策

来源:湖南兵器资江机器有限公司作者:刘海涛

本文分析了高速机超长深孔管冷挤压后产生密集性斜纹疵病的原因。结果表明,产生密集性斜纹的主要原因是冷挤压专用设备的主要零件制造、修理质量不符合要求。经采取综合治理措施后,产品质量大大提高,杜绝了密集性斜纹的产生。

该超长深孔管,材料为30SiMn2MoVA钢,毛坯尺寸为60mm×1030mm。热轧退火后的加工工序为:等温退火→车外圆→深孔钻孔→调质→铰孔(粗、精铰)→抛光→镀铜,然后在12.7+0.070mm×1030mm长度内,用冷挤压方法(冷挤压机负荷为20t,冷挤压冲头材料为CrWMn,硬度为60~62HRC),挤出八条均布、右旋、导程为355mm的右旋沟槽,见图1。冷挤压后超长深孔管的金相组织为回火索氏体,硬度为28~37HRC。

加工零件

图1 加工零件

按资料规定要求,冷挤压后零件的内膛表面应光亮,不充许有深凹痕、波纹、划痕、细纹群等加工瑕疵。还要保证八条右旋沟槽的加工精度,即每条阴、阳槽直径之差在0.29~0.33mm内,阳槽直径为12.98+0.080mm,阴槽直径为13.28+0.070mm,阴槽宽为3.02+0.100mm。在保证上述要求完全合格后,才能为后续的镀铬工序打下基础,否则后续工序无法进行,这是本产品至关重要的关键工序。但在一次冷挤压过程中,发现大量零件的内膛表面在阴、阳槽交界处有密集性斜纹,使整个生产线处于停产状态,造成了巨大的经济损失。

1、原因分析

将缺陷零件沿纵向中心线剖开,发现这些密集性斜纹均在阴、阳槽的交界处,略呈45°,平行分布,而且很有规律,斜纹长为3~4mm,宽约0.2mm,深0.1~0.2mm,见图2。

冷挤压后产生的斜纹形貌

图2 冷挤压后产生的斜纹形貌

在缺陷处取样做化学成分分析,结果表明材料的化学成份合格,故排除了斜纹与原材料化学成份有关。

在缺陷处和无缺陷处分别取样,经打磨、抛光,将1:1HCl溶液加热至60~80℃进行热酸蚀,然后观察金相组织。金相组织均为回火索氏体,无明显差异。

在缺陷处和无缺陷处分别取样,作纵向非金属夹杂物检查,两者均在合格范围内,无明显差异。对缺陷零件做整个横截面硬度均匀性检查,结果见图3。

从上述分析结果可知,密集性斜纹产生的原因,与原材料和热处理工艺无关。因此,产生密集性斜纹可能是冷挤压工序不当造成的。

硬度均匀性示意图

图3 硬度均匀性示意图

(a)洛氏硬度测量值(HRC);(b)布氏硬度测量值(HBS)

把冷挤压专用设备的主要部件拆卸后进行仔细检查,结果发现该设备的顶杆与冲头的结合部位不密贴,并有明显的偏斜度,这可能就是产生密集性斜纹的主要原因。从冷挤压受力情况分析,见图4,若作用力不垂直,不在一条中心线上,产生偏斜,则被挤压的零件因受力不均匀,特别是在沟槽的清角处因应力集中而产生斜纹;同时由于沟槽是右旋形的从一端走向另一端,所以形成了呈45°的斜纹。

冷挤压受力状况示意图

图4 冷挤压受力状况示意图

复查冲头的加工质量,发现产生密集性斜纹的冲头,表面粗糙度较高。这可能在挤压过程中,产生摩擦,增大挤压力,影响内膛表面质量,但不会出现这类有规律的斜纹,只能产生无规律性的局部表面粗糙或凹痕。

为进一步验证挤压设备质量好坏,对产生斜纹的直接影响,我们将设备的主要零件顶杆由有经验的机修工人,重新按设计要求,修理和检验合格后,用同批、同炉、同一状态的零件,按正常操作规程,作冷挤压生产考核。共生产了三批计344件,经专职检验员100%检查,全部合格。

2、改进措施

目前对该类零件内膛的加工,主要有四种方法:

(1)电解法。如果材料有严重带状偏析,电解加工后,内膛表面产生直纹,以及零件加工精度差。易在沟槽处产生圆角,加工精度不易控制,加工后无硬化层,不能有效地提高零件的疲劳强度。

(2)拉削法。拉削法加工的零件表面质量难以达到,只能由后续的工序擦膛来消除加工缺陷,且刀具制造困难,优点是生产效率较高。

(3)精锻。精锻设备费用昂贵,而且只适宜小孔径零件的生产。

(4)冷挤压法。冷挤压法的加工精度高,表面质量光洁,操作方法简单,生产率高;而且冷挤压后产生的压应力,能提高零件的疲劳强度,从而提高零件寿命,是一种可广泛推广的好方法。为提高冷挤压内膛质量,我们还采取了以下综合治理措施:

(1)对原材料加强了进厂复验,严格控制金相组织的均匀性,减轻带状组织的影响;

(2)调整零件调质态的硬度,由原来的内孔硬度28~37HRC,调整为30~37HRC,缩小了硬度差,提高了硬度的均匀性;

(3)定期进行设备的维修保护,控制好顶杆与冲头接触面的精度和紧贴度。特别是顶杆(顶杆用料为Cr12或40Cr,硬度为50~55HRC)两端的垂直度,见图5,使冲头工作时不产生偏斜并受力均匀。为进一步保证顶杆的加工质量,加工后用长50mm、孔径为12.71的样图在顶杆的全长上自由通过。

(4)严格控制冷挤压冲头的冷、热加工质量,特别是表面粗糙度。为提高冲头的耐磨性和使用寿命,冲头材料由原来的合金刀具钢改为硬质合金(YG15),冷挤压用冲头的技术要求见图6。

超长深孔管冷挤压后产生斜纹的分析及对策

通过上述综合治理措施后,冷挤压超长深孔管的质量大大提高,从根本上杜绝了斜纹的产生,产品质量达到了标准要求。