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套筒是某醫(yī)用設(shè)備上的一個鍛件，材料為316L不銹鋼。由于該鍛件成品筒部最小壁厚只有1mm，與法蘭部分壁厚差別大，且尺寸精度要求高，所以提出的精加工用毛坯形狀與尺寸,并要求最終精加工前退火以消除前序加工所造成的應(yīng)力，保證鍛件在以后的長期使用中耐蝕、不變形。316L不銹鋼為鉻鎳系奧氏體不銹鋼，具有良好的力學(xué)性能和耐腐蝕性，在醫(yī)用設(shè)備與器械中應(yīng)用較多。該零件的形狀特點為帶有凸緣的薄壁管件，管部與凸緣直徑相差較大，如果采用厚壁不銹鋼管直接進行機械加工，材料利用率低，只有31.3%。而316L不銹鋼由于合金含量特別是鎳含量高，因此價格較貴，影響鍛件的制造成本。本工藝采用熱擠壓方法成形該鍛件毛坯，對擠壓工藝與模具結(jié)構(gòu)及鍛件后續(xù)熱處理工藝進行了實驗研究。
1.熱擠壓工藝分析
工藝研究與小批量試生產(chǎn)所用材料成分(質(zhì)量分數(shù)，%)為0.014C，0.4Si，1.15Mn，0.03P，0.005S，17.29Cr，10.17Ni，2.01Mo。根據(jù)套筒的粗加工零件圖分析，該零件屬于帶凸緣管形件，可以采用大直徑管坯正擠壓成形小直徑管部和小直徑管坯鐓擠成形大直徑凸緣部兩種方法成形。考慮氧化、熱脹、金屬流動、余量等因素，制定熱擠壓件。根據(jù)等體積計算，鐓擠法變形部分高度與坯料壁厚之比過大，不宜采用。故本工藝采用正擠法，擠壓坯料選用準110mm/準70mm×40mm管坯，經(jīng)計算變形程度ε=69.6%。此時材料利用率為58.9%。
2.熱擠壓力與變形溫度
擠壓力的大小對工藝與模具設(shè)計及設(shè)備選用影響很大。在熱擠壓過程中影響擠壓力的因素很多，主要有變形抗力、變形速度、變形程度、加熱溫度、模具參數(shù)、摩擦與潤滑條件等。變形抗力決定于材料自身的組織、性能；變形速度與實際生產(chǎn)條件相關(guān)而無法改變，因此在工藝設(shè)計中主要通過控制加熱溫度、合理分配變形程度、優(yōu)化模具參數(shù)、改善摩擦與潤滑條件等來降低擠壓力。
316L不銹鋼的流變應(yīng)力隨溫度升高而降低，但變化趨勢從曲線斜率上反映出三個階段，即950~1000℃時的快速變化階段，1000~1150℃的中速變化階段和1150~1250℃緩慢變化階段。換言之，溫度在1150℃以上材料的變形抗力小而且變化平緩；在1150℃以下，材料的變形抗力增大趨勢加快，而溫度在低于1000℃時，則變形抗力急劇增大。另外，流變應(yīng)力隨著變形程度的增大而增大。相關(guān)研究也表明[1]：1050℃是316L不銹鋼在一定應(yīng)變速率下的特征溫度，當溫度小于1050℃時，材料的變形抗力增大趨勢非常明顯。 考慮到溫度過高對材料組織晶粒的影響，同時盡量減小擠壓力，將擠壓溫度設(shè)計為1150~1200℃。該溫度
下的流變應(yīng)力為155 MPa，則擠壓力計算值為：P=P 0×F=5.456σb×F=5.456×155×6003.6=5077.1 kN。熱擠壓變形時的實際工況復(fù)雜，影響因素較多，所以該計算值可作為設(shè)計參考。實驗設(shè)備選用5MN油壓機的擠壓力基本是夠用的。擠壓過程中坯料與模具間存在熱傳遞，要保證變形時的坯料溫度不低于1050℃，應(yīng)將模具充分預(yù)熱。實驗證明，模具預(yù)熱溫度不夠時，擠壓力很大，5MN油壓機壓至公稱壓力時零件仍未完全成形。潤滑采用瀝青和石墨。由于模具溫度較高，采用瀝青可提高潤滑劑的高溫附著性能。應(yīng)變速率雖對熱變形抗力有顯著影響，但由于在實際工藝試驗和生產(chǎn)中，采用的設(shè)備是5MN油壓機，其液壓缸活塞下行速度無法改變，為10mm/s的固定速度，因此未考慮該因素對變形力的影響。
3.擠壓模具設(shè)計
(1)凹模設(shè)計按圖2所示擠壓件形狀與尺寸設(shè)計模具工作部分如圖4所示，其中準112mm部分的高度取大于毛坯下料高度。擠壓過程開始前凸模應(yīng)先進入凹模一定深度，所以凹模應(yīng)增加適當?shù)膶?dǎo)向長度，本設(shè)計取20mm；入模角設(shè)計為α=90°，以便于金屬流動。準85mm工作帶寬度取8mm，大于一般有色金屬擠壓模具的設(shè)計。主要考慮不銹鋼擠壓加熱溫度高，單位壓力大對模具的摩擦磨損大。工作帶以下直徑設(shè)計為準86mm，既要考慮減小金屬流動時的摩擦，還應(yīng)考慮流動導(dǎo)向；凹模下端為頂出部分留出足夠的導(dǎo)向高度。
(2)預(yù)應(yīng)力圈設(shè)計雙層預(yù)應(yīng)力組合凹模（即凹模+預(yù)應(yīng)力圈）是熱擠壓模具中較好的結(jié)構(gòu)形式。多層預(yù)應(yīng)力圈并不能提高模具所承受內(nèi)壓的極限值，只是改善了凹模內(nèi)的應(yīng)力分布，使之更趨于均勻，但同時增加了模具的制造成本和裝配難度，因此本設(shè)計采用凹模加單層預(yù)應(yīng)力圈的組合結(jié)構(gòu)。預(yù)應(yīng)力圈外徑取凹模最大內(nèi)孔直徑的4倍，即D 3=4×D 1，預(yù)應(yīng)力圈內(nèi)徑D 2=2×D 1。為了便于裝配，凹模與預(yù)應(yīng)力圈采用1.5°錐度配合，大端徑向過盈量取0.5%，同時要考慮軸向壓合量。過盈量太大，工作時的綜合切向拉應(yīng)力超過極限會造成預(yù)應(yīng)力圈開裂破壞；螺釘孔位置是該零件容易破壞的薄弱環(huán)節(jié)，設(shè)計時應(yīng)予以重視。
(3)凸模設(shè)計凸模設(shè)計為組合結(jié)構(gòu)。整體式凸模雖然便于加工，但臺階處由于應(yīng)力集中而容易產(chǎn)生破壞，從根部斷裂。同時組合式結(jié)構(gòu)還可以在發(fā)生工件與芯軸抱死時，從工件小端將芯軸反向壓出。在模具潤滑不良的情況下，這種現(xiàn)象常會發(fā)生。
4.熱處理工藝
由于最終零件成品筒部最小尺寸只有1mm，與法蘭部分厚度差別很大，為消除前期粗加工所形成的應(yīng)力，并保證零件在以后長期工作中不發(fā)生變形并具有良好的抗腐蝕性，應(yīng)在最終精加工前對粗加工毛坯做退火(固溶)熱處理。熱擠壓加熱溫度較高，達到近1200℃，緩冷的熱擠壓件組織中除了有奧氏體外，還有鐵素體和碳化物。經(jīng)過退火(固溶)處理，目的就是使材料內(nèi)部熱加工過程中析出的碳化物在高溫下固溶于奧氏體中，通過急冷使固溶了碳的穩(wěn)定的奧氏體組織保持到常溫，同時消除前期的加工硬化和殘余應(yīng)力。具體熱處理工藝為：根據(jù)裝爐量，在450℃和850℃各保溫一段時間后升溫至固溶溫度1050℃，保溫后水冷；為防止氧化需采用真空熱處理。
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