缓冲齿轮精密冷锻工艺及模具

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　　一、前言
　　缓冲齿轮是摩托车上一关键零件，其材料为20CrMo，形状尺寸如图1所示。该零件为轴对称形状，大端有一周渐开线直齿，小端有3个均布长齿，齿宽5mm，高15mm。用常规机械切削方法加工时，材料利用率低，所用铣刀细而长、切削量小且易折断，效率很低，难以满足生产要求。我们采用冷挤压技术成形该齿坯，使难以加工的长齿部分挤压成形，达到图纸要求，替代了普通的机加工方法，在生产中得到成功的应用。
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　　二、挤压性能分析与挤压件图设计
　　该零件结构为轴对称形状，且不复杂;材料为20CrMo，退火状态硬度HB120-135，强度不高，变形抗力不大;但大端处一周渐开线齿不适合挤压成形，应留给后续机加工完成以保证其精度;所给缓冲齿轮的尺寸精度和表面粗糙度要求一般，冷挤零件的表面粗糙度可达Ra=0.8-0.4μm，公差等级在IT8-IT7左右，故冷挤压工艺完全可满足该零件的各项要求。按冷挤压工艺要求和零件形状所设计锻件如图2所示。
　　三、成形工艺及参数
( u& w9 \5 r9 \! y　　该零件若采用φ56mm毛坯一次成形，没有入模角，造成压力过大，长齿不能成形，且易产生裂纹。其原因是由于长齿外圆处流动比φ26.5mm圆柱处慢很多，易使长齿被拉裂。当采用φ45mm坯料闭式墩挤成形时，更易出现芯部φ26.5mm圆柱部分流出过快而3长齿流出很慢，根本无法充满的状态，而且两者因流速差异太大而产生撕裂现象。
　　该零件成熟的成形工序可分为两步。第1步先用φ42mm坯料正挤出直径为φ26.5mm的圆柱以及3条均布长齿。第2步再将坯料头部由φ42mm墩粗到φ58mm，并成形φ32mm的顶端圆台。
　　应当说明的是当采用φ42mm坯料正挤成形时，虽然φ26.5mm的圆柱部分的流出速度仍然比3长齿部分的快，但差异较小，不会出现撕裂现象，因此预成形工艺得以顺利实施。
　　由挤压件图可计算出制件体积v=42622mm ,当毛坯直径为42mm时，高度应为31mm。
5 E  t, {* @$ Y6 p* }# d" q　　由于挤压件长度方向不加约束，有一定的机加工量，加之挤出时26.5mm端部流动快，形成一个凸出的球面，增加了材料的消耗。调整后的毛坯高度为33mm。由文献[1][2][3]提供的挤压力计算方法可算出第1工序单位挤压力为1661.75 MPa，总挤压力为2413.2kN。第2工序可看作闭式模锻，实验时在3000kN压力下可使锻件完全成形。综合以上两工序的压力情况，我们选择在3150kN油压机上实施该工艺。
3 F" n6 A0 F, X* ]2 G　　四、模具结构
8 W% g8 U7 U: O  }　　生产中我们采用通用反挤压模架，预成形和终成形工序的模芯结构简图分别如图3、图4所示。
　　凸模1与凸模套2采用过盈配合，靠过盈量以保证凸模的固定和轴向限位。凸模组装时，先将凸模套加热至300℃左右，然后将凸模压入凸模套内。组合凹模采用典型的3层预应力结构。
　　图3为冷挤压预成形模，其凹模设计为剖分结构，以避免裂纹的产生;下凹模入口部分设计有120°入模角，长齿入口处有R3的圆角，保证了金属的顺利流动;成形后长齿厚为4.9mm。
' W/ I, x) C" I6 s' B9 |　　图4为冷墩模，它的凹模也为剖分结构，但由于零件要求而不能设计入模角;凹模深度以刚能放下上工序成形的挤压件为准，3长齿处对应凹模槽比上序加宽0.1mm，为5.Omm，便于预成形件的对正放入。
　　五、工艺过程及成形情况
/ s  J& r) P' G# X) i　　缓冲齿轮所采用的工艺流程如下:
　　备料-软化退火-车毛坯-磷化+皂化处理-冷挤预成形-冷墩台阶面-去应力回火-入库。
　　在第1序预成形后未进行退火是因为正挤压时头部几乎未变形，没产生加工硬化，第2序墩粗力也不大且没有产生裂纹。
　　预成形过程中发现凹模拼合面处易脱开，常有余料挤入拼合处。克服这种情况的方法是在凹模制造过程中，将拼合面处仔细研磨，保证上下凹模的尖角不被碰坏。
# _" p8 V% z3 F- q% v7 \9 W　　六、结论
　　(1)用冷挤压工艺生产缓冲齿轮锻件工艺可靠;
- O+ K8 u4 @  u3 \0 V　　(2)材料利用率高;
$ r! k# Z& \4 j/ o　　(3)两序压力均不超过3000kN，零件尺寸稳定，表面光洁度高。
文章关键词： 精密冷锻