小齒輪件的成形工藝及模具設計

1 引言

冷擠壓技術是一種高精、高效、優質低耗的先進生產工藝技術，是零件成形加工的主要方法之一。而齒輪和花鍵形狀復雜，尺寸精度、表面質量及綜合機械性能等要求均很高，而且常溫下金屬的變形能力低、流動性差，這些原因導致鍛造載荷陡增、齒形型腔角隅充填能力銳減，模具處于極限加工狀態，帶來易磨損、彈性變形嚴重、壽命低等弊病。如果采用流線型的擠壓過渡型腔，能改善金屬流動的均勻性，降低成形壓力，提高齒輪和花鍵擠壓成形的精度。

2 工藝分析

2．1 成形工藝設計

圖1為小齒輪件的零件圖，材料為40Cr，零件一端為齒輪，另一端為花鍵。齒輪參數為：齒數Z=8，模數m=1．5，齒形為漸開線，壓力角口=20°，齒頂圓直徑da=13ram，齒根圓直徑df=11 mm，精度等級為IT6～IT7。

圖1 小齒輪件零件圖

根據對零件的分析得出小齒輪件的成形工藝方案為：精剪下料一擠壓小端一正擠花鍵-鐓粗一反擠齒輪、齒輪孔成形一擠臺階一齒輪部分精整成形，如圖2所示。

圖2 小齒輪件的成形工藝

2．2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。根據小齒輪件的形狀特點，同時為了便于送料以及有利于坯料的定位，故選用圓柱形坯料。毛坯的體積是根據變形前后的體積不變定律計算，經計算確定毛坯直徑為12 mm，長度為27mm。

2．3坯料的軟化處理

小齒輪件的材料為40Cr，其供應狀態強度高、變形抗力大、塑性較差且有加工硬化存在。加工前要對坯料進行充分的軟化處理，降低變形抗力，提高塑性，以滿足冷擠壓成形工藝。退火處理過程如圖3所示。經退火處理后，材料硬度達到150～163HBS。

2．4坯料的表面及潤滑處理

小齒輪件的冷擠壓成形，單位擠壓力很大，金屬流動劇烈，變形量較大，坯料表面要求良好的表面處理和潤滑處理。本工藝采用磷化一皂化處理。

3 模具結構設計及分析

小齒輪件的花鍵可以采用毛坯正擠壓一次成形，其模具結構如圖4所示。其中凹模是非常關鍵的部分，決定了花鍵的成形質量。為了加強凹模的強度，延長模具的使用壽命，采用二層組合凹模，如圖5所示，即下凹模(材料為Crl2MoV，硬度為59～62 HRC)和凹模套(材料為40Cr，硬度為38～40 HRC)熱壓合成二層結構。由于凹模的齒部精度和表面粗糙度要求較高，故采用慢走絲線切割加工齒部，然后再進行人工拋光，上凹模(材料為45鋼，硬度為42一45 HRC)的內孔起定位作用。經過分析可知：在花鍵成形模具的參數中，入模錐角為40°～50°時，成形力最??；工作帶長度在2～4 mm范圍內選取合適，如工作帶長度太長，材料流動過程中摩擦阻力增大，但如工作帶太短，又會造成金屬流動不均勻等。凹模入口的收121部分應采用適當的圓角過渡，而鍵齒部分的圓角從上往下應均勻過渡。

小齒輪件的齒形采用的是反擠壓成形，最后對齒形進行精整成形，其模具結構見圖6。反擠齒形的凸凹模組件如圖7所示，由于坯件上入模的端部有45°倒角，為人模方便，在凸凹模的人?？诓捎?0°的入模錐度；又由于該工序是反擠齒形和擠齒輪孔同時進行，為了保證擠壓強度，擠齒工作帶長度采用全齒長，并圓角過渡，而齒形的圓角從下往上應由大到小的修磨，最后達到零件圖上的齒形要求，這樣才能使擠出的齒形更充盈，表面粗糙度達到Ra0.8μm。

4 結論

研究表明，采用冷擠壓加工小齒輪件，只要工藝方案和模具設計合理，可以成功地擠出花鍵鍵齒和齒輪齒形，提高工件的表面質量，節約材料，縮短輔助時間，從而降低生產成本。冷擠壓成形該形式的小齒輪是目前較為理想的一種成形方法。