齒輪軸冷擠壓工藝及模具設計

洪慎章

(上海交通大學塑性成形工程系，上海 200030)

1 工藝分析

齒輪軸零件如圖1所示。過去采用切削的加工方法，其生產工藝較復雜，成本較高，效率較低，質量也不易保證。采用冷擠壓成形工藝后，該件制造工藝簡單，生產率提高了20倍以上，并且實現了少廢料加工，節約了原材料，制件質量也得到明顯改進。

在冷擠壓生產中，往往由于變形工序設計不妥，使擠壓件成形時產生各種缺陷，如表面折疊、折縫、裂紋、縮孔、內部裂縫、縱向彎曲等。只有預先了解這些缺陷的成因，才能在設計變形工序時，采取有效的解決辦法，獲得合格的擠壓件。

圖1 齒輪軸零件Fig.1 Part of gear shaft

在制訂擠壓工藝時，要選擇合理的許用變形程度。許用變形程度越大，生產效率就越高，工序就越少，但單位壓力也會隨著增大，這就有可能超出模具所允許的單位壓力，導致模具損壞。由此可見，許用變形程度的大小應嚴格控制，它主要取決于下列因素。

1)冷擠壓模具的強度越高，模具許用變形單位壓力就越大，則許用變形程度值也就越大。在當前技術條件下，從模具材質、結構、壽命等方面考慮，模具的許用單位擠壓力為2000～2500 MPa。

2)被擠金屬材料強度越大，擠壓時其變形抗力也就越大，則許用變形程度值也就越小。黑色金屬的許用變形程度又隨含碳量的增加而減小。

3)采用不同的冷擠壓變形方式，需要的單位壓力不一樣，因此，許用變形程度也是不同的。

4)模具工作部分采用不同的結構形式，對單位擠壓力的影響較大，因此，對許用變形程度值也有較大的影響。

5)毛坯表面潤滑處理直接影響到單位擠壓力的大小，對許用變形程度值也有較大的影響。

綜上所述，由于齒輪軸零件的材料為中等強度45號碳素鋼，其供應狀態強度高，變形抗力大，塑性較差，且有加工硬化現象的存在，難以進行大變形量的冷擠壓成形加工。若對坯料進行充分的退火軟化處理，以降低變形抗力和提高塑性指標，采用冷擠壓成形工藝是完全可行的。

2 冷擠壓件圖的制訂

冷擠壓件圖是根據零件圖制訂的。它是編制工藝、設計模具、檢驗冷擠壓件形狀和尺寸的重要依據，是鍛壓車間的重要技術文件。

在制訂冷擠壓件圖時應考慮如下一些問題。

1)根據零件的外形及所屬的類型，確定采用哪種冷擠壓方法，分幾道工序。對該零件的形狀及尺寸，經計算應選用正擠壓單道工序。

2)根據冷擠壓成形的特點、加工范圍對零件進行簡化。對于不經機加工的部分，應直接按零件圖的技術要求給出公差;對于需要進行機加工的部分，應按正擠壓實心件的要求給出機加工余量和公差。

3)為了便于冷擠壓成形后取出工件，凡凹槽、橫向孔等均不可能冷擠壓成形，需加放余塊，冷擠壓后用切削加工方法獲得。

4)為了便于金屬流動，避免產生死區，防止產生廢品以及減少模具出現在銳角處的應力集中，在零件過渡處應設有足夠大的圓角半徑。

按上述要求，將齒輪軸零件設計為如圖2所示的冷擠壓件。

圖2 齒輪軸冷擠壓件Fig.2 Cold extrusion part of gear shaft

3 毛坯的制備及處理

3.1 坯料形狀和尺寸的確定

坯料形狀和尺寸對冷擠壓件的充填性能和模具壽命影響很大。根據齒輪軸的形狀特點，同時為了便于送料以及有利于定位坯料，選用圓柱形坯料。

毛坯的體積是根據變形前后體積不變定律計算的，經計算得坯料尺寸為φ25 mm×35 mm。

3.2 坯料的軟化處理

中等強度45號碳素鋼在供應狀態下的硬度大于180HB，材料晶粒粗大不均，塑性較差，變形抗力大，若不經軟化退火處理而直接進行冷擠壓，則成形困難，極易損壞模具。為降低材料變形抗力，提高塑性，在冷擠壓成形前需對材料進行軟化退火處理，其退火規范如圖3所示。經軟化退火后的坯料硬度為145HB。

3.3 坯料表面處理及潤滑

齒輪軸的冷擠壓成形，其金屬流動劇烈，變形量較大，坯料表面要求良好的凈化和潤滑處理。該工藝采用磷化-皂化處理，其處理過程如下:清除表面缺陷;清理、去油、清洗;去除表面氧化皮;冷水清洗;中和處理;冷水清理;磷化處理。

圖3 45號鋼完全退火規范Fig.3 Full annealing standard of steel 45

毛坯經表面處理后，還要進行適當的潤滑處理。經潤滑處理的毛坯，在坯料表面形成一層致密細膩的潤滑保護膜。它與坯料表面緊密結合，就成為毛坯表面和模具工作表面之間的介質，從而降低了它們之間的摩擦阻力，達到降低單位擠壓力，改善冷擠壓件質量，提高冷擠壓模具使用壽命的目的。

45號碳素鋼毛坯潤滑處理的方法，主要是采用皂化工藝，其配方及工藝如下:硬脂酸鈉(C17H35COONa)5～9 g/L;水(H2O)1 L;處理溫度為60～70℃;處理時間為10 min。

4 模具結構設計

齒輪軸冷擠壓模具的設計采用圓柱形毛坯正擠壓一次成形工藝，其結構如圖4所示。

圖4 齒輪軸正擠壓模具結構Fig.4 Die structure of forward extrusion for gear shaft

該模具采用帶有導柱導套的通用模架。凹模型腔由內層凹模8和齒形鑲塊凹模16組成。為了加強凹模的強度，采用三層組合凹模，即內層凹模8、中加強圈9及外加強圈19。頂桿部分由上螺桿6、調節螺母7及下螺桿12組成的可調試拉桿，以便于隨時調整頂桿14的行程長度。

齒輪軸的質量取決于齒形鑲塊凹模的質量，因此，正確設計齒形鑲塊凹模才能滿足零件的設計要求。設計中齒形鑲塊凹模采用與冷擠壓件相同的形狀和尺寸，同時為了承受較大的擠壓力，使凹模具有足夠的強度，現采用三層套組合凹模結構。外加強圈及中加強圈的材料為35CrMoA合金鋼，熱處理硬度為40～47HRC。內層凹模的材料為Cr12MoV模具鋼，熱處理硬度為60～62HRC。齒形鑲塊凹模用YG20硬質合金，熱處理硬度為65HRC以上。

凸模工作部分的形狀和尺寸與坯料相同。考慮到凸模應具有足夠強度、剛度和一定的耐磨性，因此，凸模材料選用Cr12MoV模具鋼，熱處理硬度為60～62HRC。

5 結語

冷擠壓技術是一項少無切屑的金屬塑性成形工藝。生產實踐表明，采用冷擠壓代替切削加工生產齒輪軸，可以明顯提高制件的表面質量，減少機械加工工時，節約材料，大大提高生產率，達到降低產品成本的目的。

[1]上海交通大學《冷擠壓技術》編寫組.冷擠壓技術[M].上海:上海人民出版社，1976.

[2]上海交通大學.冷擠壓工藝與模具圖冊[M].北京:機械工業出版社，1976.

[3]洪慎章.數種塑性材料冷鐓成形性的實驗研究[J].上海交大科技，1986(4):130－134.

[4]洪慎章.冷擠壓實用技術[M].北京:機械工業出版社，2005.

[5]洪慎章.實用冷擠壓模具結構圖冊[M].北京:化學工業出版社，2009.

[6]洪慎章.實用冷擠壓模設計與制造[M].北京:機械工業出版社，2010.