洪慎章

(上海交通大學(xué)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(guò)去采用切削的加工方法，其生產(chǎn)工藝較復(fù)雜，成本較高，效率較低，質(zhì)量也不易保證。采用冷擠壓成形工藝后，該件制造工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)率提高了20倍以上，并且實(shí)現(xiàn)了少?gòu)U料加工，節(jié)約了原材料，制件質(zhì)量也得到明顯改進(jìn)。

在冷擠壓生產(chǎn)中，往往由于變形工序設(shè)計(jì)不妥，使擠壓件成形時(shí)產(chǎn)生各種缺陷，如表面折疊、折縫、裂紋、縮孔、內(nèi)部裂縫、縱向彎曲等。只有預(yù)先了解這些缺陷的成因，才能在設(shè)計(jì)變形工序時(shí)，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(shí)，要選擇合理的許用變形程度。許用變形程度越大，生產(chǎn)效率就越高，工序就越少，但單位壓力也會(huì)隨著增大，這就有可能超出模具所允許的單位壓力，導(dǎo)致模具損壞。由此可見(jiàn)，許用變形程度的大小應(yīng)嚴(yán)格控制，它主要取決于下列因素。

1)冷擠壓模具的強(qiáng)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(dāng)前技術(shù)條件下，從模具材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、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(qiáng)度越大，擠壓時(shí)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(jié)構(gòu)形式，對(duì)單位擠壓力的影響較大，因此，對(duì)許用變形程度值也有較大的影響。

5)毛坯表面潤(rùn)滑處理直接影響到單位擠壓力的大小，對(duì)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(qiáng)度45號(hào)碳素鋼，其供應(yīng)狀態(tài)強(qiáng)度高，變形抗力大，塑性較差，且有加工硬化現(xiàn)象的存在，難以進(jìn)行大變形量的冷擠壓成形加工。若對(duì)坯料進(jìn)行充分的退火軟化處理，以降低變形抗力和提高塑性指標(biāo)，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(jù)零件圖制訂的。它是編制工藝、設(shè)計(jì)模具、檢驗(yàn)冷擠壓件形狀和尺寸的重要依據(jù)，是鍛壓車間的重要技術(shù)文件。

在制訂冷擠壓件圖時(shí)應(yīng)考慮如下一些問(wèn)題。

1)根據(jù)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(duì)該零件的形狀及尺寸，經(jīng)計(jì)算應(yīng)選用正擠壓?jiǎn)蔚拦ば颉?/p>

2)根據(jù)冷擠壓成形的特點(diǎn)、加工范圍對(duì)零件進(jìn)行簡(jiǎn)化。對(duì)于不經(jīng)機(jī)加工的部分，應(yīng)直接按零件圖的技術(shù)要求給出公差;對(duì)于需要進(jìn)行機(jī)加工的部分，應(yīng)按正擠壓實(shí)心件的要求給出機(jī)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(dòng)，避免產(chǎn)生死區(qū)，防止產(chǎn)生廢品以及減少模具出現(xiàn)在銳角處的應(yīng)力集中，在零件過(guò)渡處應(yīng)設(shè)有足夠大的圓角半徑。

按上述要求，將齒輪軸零件設(shè)計(jì)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(duì)冷擠壓件的充填性能和模具壽命影響很大。根據(jù)齒輪軸的形狀特點(diǎn)，同時(shí)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(jù)變形前后體積不變定律計(jì)算的，經(jīng)計(jì)算得坯料尺寸為φ25 mm×35 mm。

3.2 坯料的軟化處理

中等強(qiáng)度45號(hào)碳素鋼在供應(yīng)狀態(tài)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(jīng)軟化退火處理而直接進(jìn)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(duì)材料進(jìn)行軟化退火處理，其退火規(guī)范如圖3所示。經(jīng)軟化退火后的坯料硬度為145HB。

3.3 坯料表面處理及潤(rùn)滑

齒輪軸的冷擠壓成形，其金屬流動(dòng)劇烈，變形量較大，坯料表面要求良好的凈化和潤(rùn)滑處理。該工藝采用磷化-皂化處理，其處理過(guò)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(hào)鋼完全退火規(guī)范Fig.3 Full annealing standard of steel 45

毛坯經(jīng)表面處理后，還要進(jìn)行適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑處理。經(jīng)潤(rùn)滑處理的毛坯，在坯料表面形成一層致密細(xì)膩的潤(rùn)滑保護(hù)膜。它與坯料表面緊密結(jié)合，就成為毛坯表面和模具工作表面之間的介質(zhì)，從而降低了它們之間的摩擦阻力，達(dá)到降低單位擠壓力，改善冷擠壓件質(zhì)量，提高冷擠壓模具使用壽命的目的。

45號(hào)碳素鋼毛坯潤(rùn)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(shí)間為10 min。

4 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

齒輪軸冷擠壓模具的設(shè)計(jì)采用圓柱形毛坯正擠壓一次成形工藝，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 齒輪軸正擠壓模具結(jié)構(gòu)Fig.4 Die structure of forward extrusion for gear shaft

該模具采用帶有導(dǎo)柱導(dǎo)套的通用模架。凹模型腔由內(nèi)層凹模8和齒形鑲塊凹模16組成。為了加強(qiáng)凹模的強(qiáng)度，采用三層組合凹模，即內(nèi)層凹模8、中加強(qiáng)圈9及外加強(qiáng)圈19。頂桿部分由上螺桿6、調(diào)節(jié)螺母7及下螺桿12組成的可調(diào)試?yán)瓧U，以便于隨時(shí)調(diào)整頂桿14的行程長(zhǎng)度。

齒輪軸的質(zhì)量取決于齒形鑲塊凹模的質(zhì)量，因此，正確設(shè)計(jì)齒形鑲塊凹模才能滿足零件的設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)中齒形鑲塊凹模采用與冷擠壓件相同的形狀和尺寸，同時(shí)為了承受較大的擠壓力，使凹模具有足夠的強(qiáng)度，現(xiàn)采用三層套組合凹模結(jié)構(gòu)。外加強(qiáng)圈及中加強(qiáng)圈的材料為35CrMoA合金鋼，熱處理硬度為40～47HRC。內(nèi)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(zhì)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?？紤]到凸模應(yīng)具有足夠強(qiáng)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(jié)語(yǔ)

冷擠壓技術(shù)是一項(xiàng)少無(wú)切屑的金屬塑性成形工藝。生產(chǎn)實(shí)踐表明，采用冷擠壓代替切削加工生產(chǎn)齒輪軸，可以明顯提高制件的表面質(zhì)量，減少機(jī)械加工工時(shí)，節(jié)約材料，大大提高生產(chǎn)率，達(dá)到降低產(chǎn)品成本的目的。

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

[2]上海交通大學(xué).冷擠壓工藝與模具圖冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1976.

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

[4]洪慎章.冷擠壓實(shí)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[5]洪慎章.實(shí)用冷擠壓模具結(jié)構(gòu)圖冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[6]洪慎章.實(shí)用冷擠壓模設(shè)計(jì)與制造[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.