小型汽车换挡齿轮轴的低温压缩成型工艺探讨

来源：塑胶五金网发布时间：2014-11-07 15:40:15点击率：

　　随着我国汽车工业、摩托车工业和其它加工制造业的发展，对渐开线齿形花键轴的需求量越来越大，各个渐开线齿形花键轴的生产企业都迫切需要一种高效、经济、实用的制造加工方法来加工渐开线齿形花键部分。实践表明，采用冷挤压的方法加工渐开线齿形花键轴的花键是适宜的。

　　1渐开线齿形花键的冷挤压原理齿轮轴是某微型轿车变速器的换档轴，其齿形参数为：齿数Z=12、模数M=1.25、压力角α=20°、变位系数X=0.60、齿顶圆直径da=16.75mm、齿根圆直径df=14.0mm，渐开线花键有效长度为44mm;其渐开线花键部分与拨叉相连接，起变速换档的作用。由于渐开线齿形花键与拨叉之间只是传动扭矩，因此该花键对齿形的运动精度要求不高。对运动精度要求不高的渐开线齿轮零件，很适合于采用冷挤压的方法进行大批量生产。

　　渐开线花键的冷挤压主要采用减径挤压方法进行加工，其成形加工原理挤压模具安装于挤压设备的工作台面上，工件坯料装在上、下模具型腔内;当挤压上模向下运动时，迫使

　　工件坯料进入挤压凹模的齿形型腔内;随着挤压上模的不断向下运动，挤压凹模的齿形型腔和坯料接触使其变形，即在工件坯料外表面上压出同挤压凹模齿形相同的齿形来。

　　2渐开线齿形花键轴的冷挤压坯件的准备2.1冷挤压件图的制定齿轮轴的齿形部分是采用冷挤压的方式进行加工的，冷挤压加工后的齿形不再后续加工就能达到零件的设计要求;而零件上的外六方和凹槽部分，必须采用后续机械加工方法加工;对于零件的轴杆部分，由于其精度要求高、表面质量要求高，应留后续机械加工余量。

　　2.2确定齿形部分的挤压坯件直径在冷挤压工艺中，齿形部分挤压坯件直径的正确确定是决定挤压工艺成败的关键因素之一。

　　正确的挤压坯件直径一般在分度圆(或齿中径)附近，用公式来表示：dm=d&pmn;Δd式中：dm为挤压坯件直径;d为零件的齿轮分度圆(或中径)直径;Δd为直径的变化量，是由挤压件的结构和材料性能来决定的。

　　用上式确定的挤压坯件直径只是理论值，终的直径还需要在试验中确定。

　　2.3挤压坯件的准备2.3.1原始坯料的剪切下料采用J23-35型冲床剪切下料，要求剪切毛坯的断口平整、圆度差小于0.50mm，不平度不大于0.60mm，质量误差为1.0%。按照以上要求，为了保证下料后的圆度误差，定剪刀的内孔与原材料之间的间隙取0.2～0.4mm;为了保证断口平直度，冲剪间隙尽可能取小值，实际取0.2～0.4mm。

　　2.3.2局部热镦制坯采用小型中频感应加热炉(其功率为20kW)对原始坯料的头部一定长度进行局部加热，其加热温度为1000～1100℃。然后在J23-100型100t冲床上进行局部镦粗成形。

　　2.3.3热镦坯料的软化退火处理由于该花键导轴的材料为中高强度的结构钢45钢，其供应状态下的棒料具有较高的强度和硬度，且内部组织不均匀。因此，在冷挤压之前必须对挤压坯件的材料进行软化退火处理，其退火后硬度140～170HBS，以改善材料的切削加工性能和提高塑性变形性能，降低变形抗力。

　　2.3.4挤压坯件的加工经过退火以后的坯料，在车床上进行加工。加工挤压坯件时，要求各个台阶应具有较好的同轴度要求，且表面质量不能太差。

　　2.3.5挤压坯件的表面润滑处理在渐开线花键的冷挤压成形过程中，其变形区域集中在齿形附近，且该处的金属流动非常激烈，变形程度极大;要获得表面质量良好的齿形挤压件，必须对车加工以后的挤压坯件进行表面润滑处理。本工艺以磷酸锌盐为主要原料的磷化液对挤压坯件进行表面处理，然后用熔融的硬脂酸肥皂作皂化液进行表面润滑处理。

　　3齿形模具的结构设计与制造工艺过程3.1冷挤压成形模具结构特点该冷挤压模具结构其特点是：①上、下模具的导向是采用导向套进行导向，导向精度较高;②模具结构较简单，模具加工、更换和调整都很方便;③上模采用紧固螺帽进行紧固，下模采用下模压板进行紧固，这样有利于上、下模具的“对中”。

　　3.2齿形模芯的结构设计渐开线花键挤压齿形模芯对模芯的设计主要包括选择合适的齿形参数和齿形直径、确定挤压过渡段、挤压段和顶出回程段的角

　　3.2.1齿形模芯的齿形设计模芯的齿形设计要求能够按规定的齿厚和齿高冷挤出符合要求的工件齿形来，所以模芯齿形的模数和齿数与工件相同;考虑到挤压工件的热胀冷缩以及模具和挤压工件的弹性回复等问题，模芯齿形的压力角或变位系数不能与花键轴零件的齿形压力角或变位系数相同。

　　通常情况下是修正模芯齿形变位系数而保持压力角不变。其模芯齿形参数中变位系数X主要与齿轮零件的模数M、压力角α和挤压变形程度ε有关，可以用以下经验公式来表示：X=Xo-λM-ηα/180-ξε式中：X为模芯齿形的变位系数;Xo为齿轮零件的变位系数;λ为模数M的修正系数，与齿轮的模数M有关;η为压力角α的修正系数，与齿轮的压力角α有关;ξ为变形程度ε的修正系数，是由齿轮零件的几何尺寸、挤压坯件的形状尺寸、挤压材料的性能来决定的。

　　用上式确定的模芯齿形变位系数只是理论值，终的变位系数值还需要在试验中确定。

　　另外考虑到降低冷挤压成形力以及挤压齿形不再后续加工就可以装配的问题，需使模芯的齿顶高小于工件齿形的齿根高，而挤压模芯的齿根高大于工件齿形的齿顶高。

　　3.2.2齿形模芯的挤压过渡段设计齿形模芯的挤压过渡段设计主要是选取合适的斜度。斜度太大时，虽然金属流动的流程短、摩擦力较低，但在挤压过程中的径向压力分量较大，使挤压成形所需的轴向压力分量减少，这样既会增大挤压的成形力，又使金属的轴向流动比较困难，从而造成挤压毛坯的“镦粗”，使挤压成形难以继续进行。斜度过小时，金属的流动路程较长、摩擦力很大，也会造成挤压过程中的金属流动困难。

　　在本工艺中，模芯的挤压过渡段斜度α为22.5～30°比较适宜。

　　3.2.3齿形模芯的挤压段长度设计齿形模芯挤压段的长短对挤压后的齿形零件质量有一定的影响。挤压段的长度C为2.5～8.0mm 合适;若挤压段的长度C>8.0mm时，金属流动时的摩擦力大大增加，金属流动困难，挤压件的杆部容易弯曲失稳，从而影响挤压的正常生产;而挤压段的长度c<2.5mm时，虽然金属流动容易，成形力也很小，但是挤压成形的齿形部分容易扭曲变形。

　　3.2.4齿形模芯的顶出回程段设计齿形模芯的顶出回程段设计方法与挤压过渡段设计类似，主要是选取合适的斜度。斜度太大时，虽然金属流动的流程短、摩擦力较低，容易挤压成形，但在顶出回程过程中由于导向段较小，容易造成挤压件的“镦粗”，使挤压件难以顶出。斜度过小时，顶出的导向段较长，挤压件顶出容易，但是由于在积压过程中金属的流动路程较长、摩擦力很大，使挤压过程中难于正常进行。在本工艺中，模芯的顶出回程段斜度β为45～60°比较适宜。

　　3.3齿形模芯的制造工艺3.3.1模芯的材料及热处理要求齿形模芯材料采用高速钢或高铬钢。材料必须经过充分锻造，使金属基体致密，碳化物不均匀性得到充分改善，从而提高其工艺性和使用性能，延长齿形模芯的使用寿命。模芯经热处理后硬度为60～62HRC。

　　3.3.2模芯坯件的加工工艺路线模芯坯件是指线切割内齿以前的模芯。

　　3.3.3内齿形的加工一般来说，齿形模芯是非标准的特殊内齿形零件，因而其内齿形的加工必须在专用的线切割加工机床设备才能完成。内齿线切割以后，应采用金相砂纸抛光齿形，再在200℃左右的油炉内进行去应力退火以消除内应力，防止模芯早期失效。

　　4结束语(1)生产实践表明，采用冷挤压成形工艺生产渐开线齿形花键轴是一种优质、高效、经济、实用的近净成形生产工艺。

　　(2)由于花键挤压时的变形程度较小，使冷挤压的模具寿命大幅度地提高。

　　(3)齿形模芯的加工工艺简单，制造成本很低。

　　(4)冷挤压的渐开线齿形花键饱满、轮廓清晰、表面光洁度高，齿形精度也比较高，其齿形花键不再后续加工就能达到产品的设计要求。

　　(5)生产该种齿形轴，其生产效率一般能达到1500～1800件/班，生产效率高。

　　还可采取一些工艺措施，对翻孔为主的复合成形进行控制。一方面，减少凹模圆角半径、增大凸缘部分的压边力、凹模上不加润滑剂等，提高凸缘部分材料进入凹模的阻力、增大拉深变形力，通过以上措施，可减少变形过程中的拉深变形，从而减少坯料的外径，提高材料的利用率。在实际生产中，根据成型过程的理论分析与试模相结合，确定坯料外径为62mm时，既能保证翻孔顺利进行，又为凸缘切边提供了方便，且材料利用率在合理范围内。

　　4结束语针对直筒形工件的成形工艺，对拉深翻孔复合成形过程及变形规律进行了分析与探讨，在生产实践中，通过采取一定的工艺措施，可对复合成形进行有效控制，既可获得所需的工件形状与尺寸，又能提高材料利用率，降低生产成本。

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