課題：小模數齒輪的連續冷擠壓（冷鍛加工）和精沖加工復合工藝的研究

小模數齒輪五金沖壓加工（冷鍛加工、精沖加工）廣泛應用于各類精密裝備和交通工具中，隨著科技發展，小模數齒輪朝著精密化、微型化、高性能化方向發展，其需求量越來越大，傳統的加工采用機械加工，在插齒機、滾齒機等設備上進行，材料利用率和生產率較低，工人的勞動強度大，產品質量極不穩定，生產成本較高。冷擠壓是一種少無切屑的金屬塑性成形技術，在代替切削加工生產齒輪、提高齒輪的綜合機械性能、減小機械加工工時、提高材料利用率和生產率等方面，是一種較好的成形方法。

1. 產品工藝分析

     圖1是一微型減速器用齒輪，材料為20Cr，模數為0.75，齒數為14，壓力角為20°，齒頂圓直徑?12.0mm，齒根圓直徑? 8.5mm，表面粗糙度值Ra=1.6μm，公法線長度為3.47mm(跨齒數為2)。大批量生產，對于齒形的加工，通常采用機械加工方法（即滾齒）來保證，對于小模數非標齒輪，刀具必須專門制造，周期長，由于齒形是機械切削加工，表面晶粒粗大，生產效率低 (單齒加工如果采用冷擠壓成形加工，齒形由模具決定，材料受到三向壓應力，晶粒細化，綜合機械性能好，產品表面光滑，產品質量穩定，完全符合齒輪制造的要求。同時，生產效率高（連續擠壓成形〉，工作勞動強度低，通過分析與對比，本文采用冷擠壓連續成形加工。

2.成形工藝

2.1 普通冷擠壓加工可行性

     通常的冷擠壓加工是把經過軟化處理的金屬放在模腔中，室溫下，在液壓機上由凸模向毛坯加壓，使金屬產生塑性變形而制得零件的加工方法。毛坯受到三向壓應力的作用，且3個方向的壓力不等，結果使金屬的纖維發生改變，并產生冷變形強化。本產品材料為20Cr，是常用的齒輪材料，熱處理后有良好的機械性能，退火軟化硬度達100?130HB時，塑性好，有利于擠壓成形；另外，零件形狀對稱，采用擠壓成形十分有利（圖1),由于齒輪的齒形不再進行精加工，成形精度要求較高，所以要求擠壓模具的表面粗植度低，并且需要定位導向精度高的液壓機作為擠壓的機床。這樣，擠壓后的齒形表面粗糙度低，尺寸精度高，材料晶粒細化，完全符合要求。由此可見，采用擠壓工藝制造齒輪是可行的。

2.2毛坯的確定

2.2.1毛坯體積確定。

     冷擠壓工藝是利用金屬材料的塑性變形來獲得 零件所需形狀及尺寸，其毛坯的體積損耗極少，可認定為前后體積不變，即毛坯質量應與擠壓零件質量相等。計算時通常采用三維制圖軟件（Pro/E)進行繪圖（圖2)，通過軟件相關功能，進行產品質量測定，經測定體積為637.21mmm3，毛坯質量為 0.005 KG。

2.2.2毛坯直徑確定

為便于送料并有利于坯料定位，選用圓柱形毛坯，毛坯直徑選擇原則為：

1)毛坯直徑太大，擠壓變形程度大，齒形易產生裂紋；

2)毛坯直徑太小，導致擠壓齒形不飽滿：

3)在外購原材料時，一定要進行尺寸規格檢驗，對不符合尺寸要求的產品進行分類處理。

   在擠壓過程中，除軸向變形外，部分金屬存在徑向流動，所以沒有確定的公式計算毛坯直徑，毛坯直徑根據經驗確定。本產品選擇齒輪分度圓直徑與齒頂圓直徑的平均值作為毛坯直徑11.25mm， 經過試驗最后確定毛坯的直徑為11.85mm。

2.2.3毛坯長度確定

     根據體積不變原理，計算出毛坯的長度為 5.8 mm。由于在擠壓初始段，會有部分區域不能擠滿，所以取其長度為6.5mm。

2.3毛坯的退火

     退火處理是冷擠壓的關鍵工序，如沒經過退火 直接冷擠壓，毛坯材料較硬，成形比較困難，模具易產生裂紋；若退火后的材料硬度較低，塑性較大，毛坯在模具導人段堆積，模具會產生較大變形甚至產生裂紋。根據實際經驗，其退火硬度在120~ 130HB時，效果顯著。

2.4毛坯的表面處理

2.4.1毛坯制造

     根據冷擠壓加工的特點，要求毛坯表面光滑， 且尺寸保持一致，通常采用經濟型的數控車床進行 外圓加工，其生產效率髙，產品外圓一致性好，完全符合擠壓的要求。

2.4.2磷皂化處理

     磷皂化處理是一種表面處理方式，它的主要成形機理是在毛坯表層附著一層磷化層與皂化層，使材料冷擠壓過程順利進行，先進行磷化處理，后進行皂化處理,經過磷皂化處理后的坯件，擠壓成形順利，擠壓后的坯件表面光滑。

2.5擠壓的工藝路線

     工藝流程為：下料一退火一粗車一精車一磷化―皂化一冷擠壓一后續加工，該工藝路線的優點是: 產品的質量較高，生產效率高，對操作者的要求不 高，材料利用率高達78.5%，成本低。

3.模具設計與制造

3.1模具的總裝圖

     模具總裝圖如圖3所示。由于齒輪種類多、形狀各異、模具設計與制造的成本高，本模具采用可以正擠、反擠和鐓擠成形的模架，模具型腔可根據需加工的零件隨意更換，既降低了成本，又擴大了模具的使用范圍。如圖3所示，將經退火、磷化、 皂化處理的齒坯放人凹模9的型腔內，凸模組件7 向下運動，放置在型腔中的毛坯在三向壓應力的作用下被擠壓，擠壓到所需長度后，凸模組件7向上運動，然后在凹模型腔內放入另一件毛坯，繼續向下擠壓，直至被擠離凹模⑷。

     為保證凸、凹模齒形方位一致，在裝配時，先固定凹模，將凸模與凹模對正后，再固定凸模，這樣也能保證毛坯受力均勻。

3.2模具主要零件的設計

3.2.1材料選擇

     由于凸凹模受力狀況極其惡劣，因此，需要選用硬度、剛性及耐磨性較好的模具材料。在擠壓過程中由于摩擦與擠壓使模具溫度較高，要求模具材料的熱硬性較高。經過綜合考慮并結合試驗，選擇材料為65Cr4W3Mo2VnNb,此材料加入3%的Nb可形成高穩定性的碳化物NbC，能有效阻止奧氏體晶粒長大，改善鋼的力學性能和工藝性能。其抗彎強度和沖擊韌性比高速鋼好，具有較好的耐磨性和較強的高溫韌性，可以代替Cr12MoV和W18Cr4V鋼，用于重載沖裁模和冷擠壓模、冷鐓模，也可兼作熱作模具鋼。

3.2.2凸模設計

     傳統冷擠壓齒輪用的凸模，通常采用直徑比被加工齒輪齒根圓直徑略小的圓柱，擠壓過程中易造成被加工齒輪齒根處斷裂。本文將凸模外形設計成齒形（圖4〉，齒頂圓直徑略小于被加工齒輪齒頂圓直徑，以確保擠壓受力更加均勻，避免被加工齒輪齒根產生斷裂。凸模主要受軸向力的作用，設計時須進行受力分析，校核其強度和剛度，確保在成形中凸模不產生裂紋和變形。

3.2.3凹模設計 凹模結構

     在成形過程中，凹模因受軸向、徑向壓力及摩擦力作用，受力狀況極其惡劣，因此，凹模采用雙層組合模形式（圖5）。這樣不僅比整體式凹模強度提高3倍，而且即使損壞也僅需更換內圈，不致于整個凹模報廢，更易于保證熱處理質量，還可防止凹模崩裂時，鐵屑飛出傷人。

(2)凹模型腔設計

     凹模型腔設計是以齒輪齒形為基礎，同時考慮冷擠壓的收縮問題。但實際生產中，模具零件收縮對于小模數齒輪的影響較小，所以可以將凹模型腔的尺寸與齒形設計一致。凹模型腔設計主要包括凹模型腔齒形設計、材料引人段設計、材料通過模具成形部分與擠出段等部分的設計。

     齒形設計主要是確定齒形的形狀和大小，根據毛坯在成形過程中要受到熱的影響，溫度升高易產生變形，加之模具受壓后產生變形，所以模具的形狀和大小尺寸設計就與產品不一致。但對于本產品，由于尺寸較小，變形不大，所以齒形的尺寸不發生改變。

     凹模的材料引入段對于毛坯成形起到導向與定位作用，此段的設計對產品的成形過程非常關鍵。 根據多次試驗，進入凹模處設計成一定錐度，以便于毛坯順利進人凹模，此段的長度設計為3mm，其喉部人口的角度為25°，此角度人口處不產生堆積 現象，且成形充足。

     材料通過模具成形部分不宜過長或過短：成形部分過長會導致模具受壓力時間長，且齒形變形成形部分過短使產品成形不均勻，通過多次試驗， 采用的長度為5mm。對于擠出段部分的設計要求不高，后角設計為30°。通過以上分析，凹模總高度設計為20mm，如圖5所示。

3.3主要模具零件制造與熱處理

     模具零件的制造精度與熱處理對于模具壽命的影響較大，根據零件要求，凹模與凸模的制造均采用線切割齒形，采用慢走絲并經拋光后磨口部成形。

     65Nb鋼的鍛造和退火工藝性能良好，熱處理溫度范圍寬，65Nb鋼的熱處理工藝為：1080~1180°鹽浴爐加熱〈15?20 s/mm)，油淬， 520~560 °C回火3次，硬度57~63HRC,二效果明顯。

4. 結論

1)凸模外形設計為齒頂圓直徑略小于被加工齒輪齒頂圓直徑的齒形，避免被加工齒輪齒根產生斷裂。

2)凹模采用雙層組合模形式，提高了強度， 更易于保證熱處理質量。

3)采用連續冷擠壓成形制造小模數非標齒輪，是一種較為先進的齒輪加工方式，為類似齒輪的制造提供了現實參考。

5. 課題

1）是否可以采用連續冷沖壓加工、精沖加工和連續冷擠壓復合工藝生產此類齒輪？

2）采用連續冷沖壓加工、精沖加工和連續冷擠壓復合工藝的最大允許材料厚度是多少？

3）采用連續冷沖壓加工、精沖加工和連續冷擠壓復合工藝時，如何最大限度減少塌角和毛刺？

4）該類復合工藝的沖壓模具制造關鍵是什么？