1 引 言
驅(qū)動齒輪是汽車電機(jī)中一個重要零件，其形狀及尺寸如圖1所示。過去，加工驅(qū)動齒輪的工藝是：首先在3 000kN摩擦壓力機(jī)上鍛坯，然后進(jìn)行車削，最后加工齒形。由于零件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，齒形的加工只能采用插齒的方法，而且在插齒前，還需要加工退刀槽。這樣，不僅材料消耗多，加工工時長，而且零件強(qiáng)度也不高，所以這種加工工藝比較落后。
圖1 驅(qū)動齒輪零件
隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，冷模鍛的應(yīng)用愈來愈多。除了具有較高的精度以外，更迫切的是要解決復(fù)雜的形狀，同時還要不斷提高制件的內(nèi)在質(zhì)量，減少原材料的消耗及機(jī)械加工工時，提高生產(chǎn)率，降低產(chǎn)品成本。
冷模鍛技術(shù)是近年來研制和推廣應(yīng)用的一項新型模鍛工藝。其基本原理是在封閉的型腔中，采用上下模具對毛坯進(jìn)行鐓粗—擠壓成形。它可使毛坯在鍛壓設(shè)備一次行程中獲得形狀復(fù)雜的無毛邊鍛件，其尺寸精度及材料利用率均顯著提高，同時省去鍛后的切邊工序，降低能耗，生產(chǎn)率也隨之提高。
2 工藝分析
驅(qū)動齒輪零件材料為中高強(qiáng)度合金鋼20CrMnTi，其供應(yīng)狀態(tài)強(qiáng)度高、變形抗力大、塑性較差，存在加工硬化現(xiàn)象，難以進(jìn)行大變形量的冷模鍛成形。但若對毛坯進(jìn)行充分軟化退火處理，以降低變形抗力和提高塑性指標(biāo)，采用冷模鍛成形工藝是完全可行的。
冷模鍛成形工藝的成形尺寸精度可達(dá)IT7～I(xiàn)T8級，表面粗糙度可達(dá)Ra=0.4～0.8μm。本驅(qū)動齒輪直齒的齒面粗糙度為Ra=1.6μm，因此，采用冷模鍛成形工藝可滿足該零件的技術(shù)要求。
冷模鍛工藝的生產(chǎn)過程是：下料→退火→冷模鍛。整個塑性成形的特點(diǎn)是在單次進(jìn)行有效的閉式冷模鍛得到所需的制件形狀及尺寸。
3 工藝設(shè)計
冷模鍛工藝設(shè)計是冷模鍛設(shè)計工作的第一步，它直接關(guān)系到制件質(zhì)量、成本、生產(chǎn)效率及模具壽命等。
3.1 冷模鍛件圖的制訂
根據(jù)驅(qū)動齒輪零件圖及冷模鍛工藝的基本要求，設(shè)計時應(yīng)考慮解決下列問題：
(1)確定分模面位置。為使冷模鍛件容易從模具中取出，并要求獲得鐓粗、擠壓、充填成形的良好效果，同時考慮到開模時制件留在下模，因此，按該零件的形狀，分模面的位置應(yīng)選擇在最大的外徑處，見圖2中的A－A。
(2)余量、余塊及公差。冷模鍛后需要機(jī)械加工的二端平面、退刀槽φ28mm、滾紋槽φ54mm和中心內(nèi)孔φ46mm等加放余量，而孔徑φ18mm考慮到模具容易斷裂，加放余塊，制成盲孔。考慮到坯料尺寸有公差，故制件的高度兩端面各加放1mm的余量，其它尺寸的公差均在零件的公差范圍內(nèi)。余量及公差可查閱手冊。
(3)模鍛斜度。為了防止凸模與制件的中心內(nèi)孔卡住及便于脫模，因此，在φ46mm的內(nèi)孔處設(shè)有模鍛斜度，其值為5°。
(4)圓角半徑。冷模鍛件尖角處的圓角半徑直接影響冷模鍛時的金屬流動、型腔充滿、冷模鍛力、模具磨損和制件轉(zhuǎn)角處流線切斷等。按該零件的尺寸查閱手冊。
根據(jù)以上所得數(shù)據(jù)，繪制出驅(qū)動齒輪冷模鍛件圖，如圖2所示。
圖2 驅(qū)動齒輪冷模鍛件圖
3.2 變形速度的選擇
國內(nèi)外資料及有關(guān)試驗指出，要制成直齒齒面的精密形狀，必須采用較高的變形速度才能擠壓成形。因為較高的變形速度可提高金屬塑性的變形程度，原因有二：一是變形速度大于冷加工硬化速度，致使材料可繼續(xù)進(jìn)行塑性變形，不會破裂；二是金屬與模具型腔之間的摩擦系數(shù)隨變形速度提高而下降，使金屬流動速度加快，易充填成形，同時也降低了變形抗力，還可減少變形的不均勻性�，F(xiàn)采用江蘇海安縣威弘鍛壓機(jī)械有限公司制造的CH83－50型液壓模鍛錘，其打擊速度為6m/s(比機(jī)械冷擠壓機(jī)的速度大3倍以上)，打擊次數(shù)60次/min。
3.3 毛坯尺寸的選擇
在驅(qū)動齒輪冷模鍛件(圖2)大端直徑φ58mm與直齒端直徑φ40mm之間選定一尺寸作為毛坯的直徑。這一尺寸既能滿足許用變形程度的要求，又要當(dāng)作毛坯在型腔中的定位尺寸。根據(jù)這一設(shè)計原則，經(jīng)所需的體積計算，選定直徑為φ57.8mm，毛坯長度為22mm。
3.4 許用變形程度的計算
采用冷模鍛成形工藝，先要驗算該材料的擠壓許用變形程度，一般用斷面縮減率εF表示。20CrMnTi合金鋼材料的冷擠壓許用變形程度，按實(shí)驗資料可得65％～70％。根據(jù)本毛坯尺寸，經(jīng)計算εF=(F0－F1)/F0×100％=45％，小于冷擠壓許用變形程度，通過試驗證實(shí)，驅(qū)動齒輪可以允許進(jìn)行冷模鍛成形工藝。
3.5 毛坯制坯處理
根據(jù)冷模鍛工藝的要求，必須對毛坯材料進(jìn)行制坯處理，它包括軟化處理、表面處理及潤滑處理，其工藝介紹如下：
(1)軟化處理。20CrMnTi合金鋼在供應(yīng)狀態(tài)下的硬度大于200HB，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)行冷模鍛，則成形困難，使制件破壞。因此，為了提高毛坯的塑性，降低其硬度和變形抗力，冷模鍛加工前的毛坯需進(jìn)行軟化退火處理，其退火規(guī)范如圖3所示。經(jīng)退火后20CrMnTi合金鋼毛坯的硬度為150HB。
圖3 20CrMnTi合金鋼退火規(guī)范
(2)表面處理。表面處理是冷模鍛工藝的一道關(guān)鍵工序，它對表面質(zhì)量及模具壽命都有很大的影響。本毛坯采用磷化處理，其化學(xué)配方及工藝規(guī)范如下：
氧化鋅(ZnO) 9 g/L
磷酸(H3PO4) 23 mL/L
水(H2O) 1 L
總酸度 16～20點(diǎn)
游離酸度 2.5～4.5點(diǎn)
處理溫度 85～95℃
處理時間 30～40min
(3)潤滑處理。潤滑處理的目的是使毛坯在冷模鍛過程中，獲得適合于塑性流動的變形條件，提供有足夠韌性，能經(jīng)受重壓而不致?lián)p壞的潤滑層，以降低模具載荷、減少磨損，延長模具使用壽命。本毛坯采用皂化處理，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 60～70℃
處理時間 10min
4 冷模鍛模具設(shè)計
為了在液壓模鍛錘的鍛模中可進(jìn)行生產(chǎn)，設(shè)計了錘鍛模的頂出裝置。驅(qū)動齒輪冷模鍛模具結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 驅(qū)動齒輪冷模鍛模具結(jié)構(gòu)
該模具結(jié)構(gòu)分上、下兩部分。模具型腔由凸模3、上凹模15、下凹模13和下頂桿鑲塊10組成。上、下模座1、7的導(dǎo)向完全靠3根導(dǎo)柱11的尺寸精度予以保證。
工作過程是：經(jīng)軟化退火處理的毛坯放入上凹模15中進(jìn)行冷模鍛。當(dāng)滑塊回程時，因制件14齒面的接觸面要比其內(nèi)孔的接觸面大，再加上凸模3上的模鍛斜度，所以冷模鍛后的制件14是留在凹模內(nèi)，然后再放入圓形頂塊5，鍛錘打擊該頂塊，通過推桿6、杠桿9及下頂桿鑲塊10，使制件14從上凹模15中頂出，才能取出制件14。
在設(shè)計制造模具和冷模鍛成形工藝過程中應(yīng)注意如下幾個問題：
(1)上、下模承擊面的尺寸必須要適當(dāng)放大，應(yīng)符合冷模鍛單位壓力的技術(shù)條件。其材料及熱處理的要求都需具有較高的沖擊韌性及耐磨性，故采用Cr12MoV合金模具鋼，型腔表面低溫氮碳共滲處理后的硬度為58～60HRC。
(2)下頂桿鑲塊與杠桿之間、杠桿與推桿之間的接觸面盡量保證平整光滑，設(shè)計時避免曲率半徑過大。盡量增大有效尺寸，防止塑性變形及斷裂。
(3)下頂桿鑲塊和凹模墊塊滑動配合合理的情況下，盡量縮小兩者間的配合間隙。因為間隙過大，制件會產(chǎn)生周邊縱向毛刺。
(4)金屬毛坯在高速成形時，往往毛坯在凹模型腔內(nèi)先封閉，集聚在直齒型腔內(nèi)的空氣無法排出而產(chǎn)生很大的壓力，阻止金屬充滿型腔，故必須在直齒頂端型腔上開設(shè)直徑φ1mm的排氣孔。
(5)冷模鍛成形后，放入圓形頂塊，錘擊要輕，以免下頂桿鑲塊過早斷裂。
5 結(jié)束語
在當(dāng)今汽車廣泛使用的情況下，追求產(chǎn)品價格及質(zhì)量的競爭日益激烈。采用先進(jìn)的高速冷模鍛成形技術(shù)是一項行之有效的最佳途徑，它既能提高產(chǎn)品質(zhì)量及材料利用率，又可減少機(jī)械加工工時，從而降低了產(chǎn)品成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著。
