齿轮轴冷挤压工艺及模具设计

洪慎章

(上海交通大学塑性成形工程系，上海 200030)

1 工艺分析

齿轮轴零件如图1所示。过去采用切削的加工方法，其生产工艺较复杂，成本较高，效率较低，质量也不易保证。采用冷挤压成形工艺后，该件制造工艺简单，生产率提高了20倍以上，并且实现了少废料加工，节约了原材料，制件质量也得到明显改进。

在冷挤压生产中，往往由于变形工序设计不妥，使挤压件成形时产生各种缺陷，如表面折叠、折缝、裂纹、缩孔、内部裂缝、纵向弯曲等。只有预先了解这些缺陷的成因，才能在设计变形工序时，采取有效的解决办法，获得合格的挤压件。

图1 齿轮轴零件Fig.1 Part of gear shaft

在制订挤压工艺时，要选择合理的许用变形程度。许用变形程度越大，生产效率就越高，工序就越少，但单位压力也会随着增大，这就有可能超出模具所允许的单位压力，导致模具损坏。由此可见，许用变形程度的大小应严格控制，它主要取决于下列因素。

1)冷挤压模具的强度越高，模具许用变形单位压力就越大，则许用变形程度值也就越大。在当前技术条件下，从模具材质、结构、寿命等方面考虑，模具的许用单位挤压力为2000～2500 MPa。

2)被挤金属材料强度越大，挤压时其变形抗力也就越大，则许用变形程度值也就越小。黑色金属的许用变形程度又随含碳量的增加而减小。

3)采用不同的冷挤压变形方式，需要的单位压力不一样，因此，许用变形程度也是不同的。

4)模具工作部分采用不同的结构形式，对单位挤压力的影响较大，因此，对许用变形程度值也有较大的影响。

5)毛坯表面润滑处理直接影响到单位挤压力的大小，对许用变形程度值也有较大的影响。

综上所述，由于齿轮轴零件的材料为中等强度45号碳素钢，其供应状态强度高，变形抗力大，塑性较差，且有加工硬化现象的存在，难以进行大变形量的冷挤压成形加工。若对坯料进行充分的退火软化处理，以降低变形抗力和提高塑性指标，采用冷挤压成形工艺是完全可行的。

2 冷挤压件图的制订

冷挤压件图是根据零件图制订的。它是编制工艺、设计模具、检验冷挤压件形状和尺寸的重要依据，是锻压车间的重要技术文件。

在制订冷挤压件图时应考虑如下一些问题。

1)根据零件的外形及所属的类型，确定采用哪种冷挤压方法，分几道工序。对该零件的形状及尺寸，经计算应选用正挤压单道工序。

2)根据冷挤压成形的特点、加工范围对零件进行简化。对于不经机加工的部分，应直接按零件图的技术要求给出公差;对于需要进行机加工的部分，应按正挤压实心件的要求给出机加工余量和公差。

3)为了便于冷挤压成形后取出工件，凡凹槽、横向孔等均不可能冷挤压成形，需加放余块，冷挤压后用切削加工方法获得。

4)为了便于金属流动，避免产生死区，防止产生废品以及减少模具出现在锐角处的应力集中，在零件过渡处应设有足够大的圆角半径。

按上述要求，将齿轮轴零件设计为如图2所示的冷挤压件。

图2 齿轮轴冷挤压件Fig.2 Cold extrusion part of gear shaft

3 毛坯的制备及处理

3.1 坯料形状和尺寸的确定

坯料形状和尺寸对冷挤压件的充填性能和模具寿命影响很大。根据齿轮轴的形状特点，同时为了便于送料以及有利于定位坯料，选用圆柱形坯料。

毛坯的体积是根据变形前后体积不变定律计算的，经计算得坯料尺寸为φ25 mm×35 mm。

3.2 坯料的软化处理

中等强度45号碳素钢在供应状态下的硬度大于180HB，材料晶粒粗大不均，塑性较差，变形抗力大，若不经软化退火处理而直接进行冷挤压，则成形困难，极易损坏模具。为降低材料变形抗力，提高塑性，在冷挤压成形前需对材料进行软化退火处理，其退火规范如图3所示。经软化退火后的坯料硬度为145HB。

3.3 坯料表面处理及润滑

齿轮轴的冷挤压成形，其金属流动剧烈，变形量较大，坯料表面要求良好的净化和润滑处理。该工艺采用磷化-皂化处理，其处理过程如下:清除表面缺陷;清理、去油、清洗;去除表面氧化皮;冷水清洗;中和处理;冷水清理;磷化处理。

图3 45号钢完全退火规范Fig.3 Full annealing standard of steel 45

毛坯经表面处理后，还要进行适当的润滑处理。经润滑处理的毛坯，在坯料表面形成一层致密细腻的润滑保护膜。它与坯料表面紧密结合，就成为毛坯表面和模具工作表面之间的介质，从而降低了它们之间的摩擦阻力，达到降低单位挤压力，改善冷挤压件质量，提高冷挤压模具使用寿命的目的。

45号碳素钢毛坯润滑处理的方法，主要是采用皂化工艺，其配方及工艺如下:硬脂酸钠(C17H35COONa)5～9 g/L;水(H2O)1 L;处理温度为60～70℃;处理时间为10 min。

4 模具结构设计

齿轮轴冷挤压模具的设计采用圆柱形毛坯正挤压一次成形工艺，其结构如图4所示。

图4 齿轮轴正挤压模具结构Fig.4 Die structure of forward extrusion for gear shaft

该模具采用带有导柱导套的通用模架。凹模型腔由内层凹模8和齿形镶块凹模16组成。为了加强凹模的强度，采用三层组合凹模，即内层凹模8、中加强圈9及外加强圈19。顶杆部分由上螺杆6、调节螺母7及下螺杆12组成的可调试拉杆，以便于随时调整顶杆14的行程长度。

齿轮轴的质量取决于齿形镶块凹模的质量，因此，正确设计齿形镶块凹模才能满足零件的设计要求。设计中齿形镶块凹模采用与冷挤压件相同的形状和尺寸，同时为了承受较大的挤压力，使凹模具有足够的强度，现采用三层套组合凹模结构。外加强圈及中加强圈的材料为35CrMoA合金钢，热处理硬度为40～47HRC。内层凹模的材料为Cr12MoV模具钢，热处理硬度为60～62HRC。齿形镶块凹模用YG20硬质合金，热处理硬度为65HRC以上。

凸模工作部分的形状和尺寸与坯料相同。考虑到凸模应具有足够强度、刚度和一定的耐磨性，因此，凸模材料选用Cr12MoV模具钢，热处理硬度为60～62HRC。

5 结语

冷挤压技术是一项少无切屑的金属塑性成形工艺。生产实践表明，采用冷挤压代替切削加工生产齿轮轴，可以明显提高制件的表面质量，减少机械加工工时，节约材料，大大提高生产率，达到降低产品成本的目的。

[1]上海交通大学《冷挤压技术》编写组.冷挤压技术[M].上海:上海人民出版社，1976.

[2]上海交通大学.冷挤压工艺与模具图册[M].北京:机械工业出版社，1976.

[3]洪慎章.数种塑性材料冷镦成形性的实验研究[J].上海交大科技，1986(4):130－134.

[4]洪慎章.冷挤压实用技术[M].北京:机械工业出版社，2005.

[5]洪慎章.实用冷挤压模具结构图册[M].北京:化学工业出版社，2009.

[6]洪慎章.实用冷挤压模设计与制造[M].北京:机械工业出版社，2010.