小齿轮件的成形工艺及模具设计

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  针对小齿轮件(既有齿轮又有花键的小齿轮件)的花键和齿轮成形问题进行工艺分析。为了节约成本和使成形顺利进行，采用冷挤压工艺方案，并进行花键正挤和齿轮反挤的挤压组合模具设计。研究表明，小齿轮件采用冷挤压工艺方案是可行的，模具设计合理，可以获得准确的花键、齿轮齿形和较好的表面质量，节约材料，缩短辅助时间，降低生产成本。

    1 引言
   
    冷挤压技术是一种高精、高效、优质低耗的先进生产工艺技术，是零件成形加工的主要方法之一。而齿轮和花键形状复杂，尺寸精度、表面质量及综合机械性能等要求均很高，而且常温下金属的变形能力低、流动性差，这些原因导致锻造载荷陡增、齿形型腔角隅充填能力锐减，模具处于极限加工状态，带来易磨损、弹性变形严重、寿命低等弊病。如果采用流线型的挤压过渡型腔，能改善金属流动的均匀性，降低成形压力，提高齿轮和花键挤压成形的精度。
   
    2 工艺分析
   
    2．1成形工艺设计
   
    图1为小齿轮件的零件图，材料为40Cr，零件一端为齿轮，另一端为花键。齿轮参数为：齿数Z=8，模数m=1．5，齿形为渐开线，压力角口=20°，齿顶圆直径da=13ram，齿根圆直径df=11 mm，精度等级为IT6～IT7。

    根据对零件的分析得出小齿轮件的成形工艺方案为：精剪下料一挤压小端一正挤花键-镦粗一反挤齿轮、齿轮孔成形一挤台阶一齿轮部分精整成形，如图2所示。

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    2．2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。根据小齿轮件的形状特点，同时为了便于送料以及有利于坯料的定位，故选用圆柱形坯料。毛坯的体积是根据变形前后的体积不变定律计算，经计算确定毛坯直径为12 mm，长度为27mm。
   
    2．3坯料的软化处理
   
    小齿轮件的材料为40Cr，其供应状态强度高、变形抗力大、塑性较差且有加工硬化存在。加工前要对坯料进行充分的软化处理，降低变形抗力，提高塑性，以满足冷挤压成形工艺。退火处理过程如图3所示。经退火处理后，材料硬度达到150～163HBS。

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    2．4坯料的表面及润滑处理
   
    小齿轮件的冷挤压成形，单位挤压力很大，金属流动剧烈，变形量较大，坯料表面要求良好的表面处理和润滑处理。本工艺采用磷化一皂化处理。

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    3 模具结构设计及分析
   
    小齿轮件的花键可以采用毛坯正挤压一次成形，其模具结构如图4所示。其中凹模是非常关键的部分，决定了花键的成形质量。为了加强凹模的强度，延长模具的使用寿命，采用二层组合凹模，如图5所示，即下凹模(材料为Crl2MoV，硬度为59～62 HRC)和凹模套(材料为40Cr，硬度为38～40 HRC)热压合成二层结构。由于凹模的齿部精度和表面粗糙度要求较高，故采用慢走丝线切割加工齿部，然后再进行人工抛光，上凹模(材料为45钢，硬度为 42一45 HRC)的内孔起定位作用。经过分析可知：在花键成形模具的参数中，入模锥角为40°～50°时，成形力最小；工作带长度在2～4 mm范围内选取合适，如工作带长度太长，材料流动过程中摩擦阻力增大，但如工作带太短，又会造成金属流动不均匀等。凹模入口的收121部分应采用适当的圆角过渡，而键齿部分的圆角从上往下应均匀过渡。

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    小齿轮件的齿形采用的是反挤压成形，最后对齿形进行精整成形，其模具结构见图6。反挤齿形的凸凹模组件如图7所示，由于坯件上入模的端部有45°倒角，为人模方便，在凸凹模的人模口采用90°的入模锥度；又由于该工序是反挤齿形和挤齿轮孔同时进行，为了保证挤压强度，挤齿工作带长度采用全齿长，并圆角过渡，而齿形的圆角从下往上应由大到小的修磨，最后达到零件图上的齿形要求，这样才能使挤出的齿形更充盈，表面粗糙度达到Ra0.8μm。

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    4 结论
   
    研究表明，采用冷挤压加工小齿轮件，只要工艺方案和模具设计合理，可以成功地挤出花键键齿和齿轮齿形，提高工件的表面质量，节约材料，缩短辅助时间，从而降低生产成本。冷挤压成形该形式的小齿轮是目前较为理想的一种成形方法。【MechNet】

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