漸開線傳動(dòng)花鍵軸冷擠壓成形

文/錢進(jìn)浩·蘇州銀濤精密鍛造有限公司胡亞民·重慶理工大學(xué)

漸開線傳動(dòng)花鍵軸冷擠壓成形

文/錢進(jìn)浩·蘇州銀濤精密鍛造有限公司胡亞民·重慶理工大學(xué)

冷擠壓技術(shù)是一種高精度、高效率、節(jié)材節(jié)能的先進(jìn)鍛造工藝，較多應(yīng)用于中小型鍛件的批量化生產(chǎn)。如圖1所示為某農(nóng)用機(jī)械變速器的漸開線花鍵傳動(dòng)軸，其參數(shù)為：z=15，M=1，a=30°，參考標(biāo)準(zhǔn)為GB/T3478.1-1995。漸開線花鍵總長為58.2mm，其中漸開線花鍵的有效長度要求大于54mm。硬度要求在24～26HRC間，表面發(fā)黑處理。由于此漸開線花鍵齒形部分較長（大于半徑3倍），采用機(jī)械加工工藝來成形齒形無法滿足大批量生產(chǎn)的需要。因此，綜合考慮后采用冷擠壓的工藝來生產(chǎn)該產(chǎn)品。

圖1漸開線傳動(dòng)花鍵軸

成形原理

漸開線齒形花鍵軸的冷擠壓主要是采用減徑擠壓方法。減徑擠壓是一種變形程度較小的正擠壓方法，其坯料的斷面僅作輕度的縮減，且減徑擠壓力低于被擠壓材料桿部的屈服力。此方法主要用于各種齒形零件及長軸類零件的成形。冷擠壓漸開線花鍵時(shí)，擠壓模具安裝于擠壓設(shè)備的工作臺(tái)面上，工件坯料裝在上、下模具型腔內(nèi)。當(dāng)擠壓上模向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，迫使工件坯料進(jìn)入擠壓凹模的齒形型腔內(nèi)。隨著擠壓上模的不斷向下運(yùn)動(dòng)，擠壓凹模的齒形型腔和工件坯料接觸，即在工件坯料外表面上壓出同擠壓凹模齒形相同的齒形來。

冷擠壓工藝

⑴冷擠壓件的制定。花鍵軸的齒形部分采用減徑擠壓的方式進(jìn)行冷擠壓加工，小孔和兩端采用后續(xù)機(jī)械加工方法加工。

⑵確定齒形部分的擠壓坯件直徑。在冷擠壓工藝中，齒形部分?jǐn)D壓坯件直徑的確定是決定擠壓工藝成功的關(guān)鍵因素之一。正確的擠壓坯件直徑一般在分度圓（或齒中徑）附近，其計(jì)算公式見式（1）：

式中dm——為擠壓坯件直徑，mm；

d——為零件的齒輪分度圓（或中徑）直徑，mm；

△d——為直徑的變化量，是由擠壓件的結(jié)構(gòu)和材料性能來決定的。

用式（1）確定的擠壓件直徑只是理論值，最終的直徑還需要在試驗(yàn)中確定。

⑶擠壓坯件的準(zhǔn)備：

①原始棒料的軟化退火處理。由于該花鍵導(dǎo)軸的材料為中高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)鋼（45號(hào)鋼），其供應(yīng)狀態(tài)下的棒料具有較高的強(qiáng)度和硬度，且內(nèi)部組織不均勻。因此，在冷擠壓之前必須對(duì)擠壓坯件進(jìn)行軟化退火處理，以改善材料的切削加工性能，提高塑性變形性能，降低變形抗力，退火后硬度在140～170HBS間。

表1W 6Mo5Cr4V2材料的化學(xué)成分      （ω，％）

②擠壓坯件的加工。在車床上對(duì)經(jīng)過退火后的坯料進(jìn)行加工。加工擠壓坯件時(shí)，要求各臺(tái)階具有較好的同軸度，且表面質(zhì)量較好。

③擠壓坯件的表面潤滑處理。在漸開線花鍵的冷擠壓成形過程中，其變形區(qū)域集中在齒形附近，使該處的金屬流動(dòng)非常激烈，變形程度大。要獲得表面質(zhì)量良好的齒形擠壓件，必須對(duì)車加工以后的擠壓坯件進(jìn)行表面潤滑處理。該工藝采用以磷酸鋅鹽為主要原料的磷化液對(duì)擠壓坯件進(jìn)行表面處理，然后用熔融的硬脂酸肥皂作皂化液進(jìn)行表面潤滑處理。

模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

⑴冷擠壓模具結(jié)構(gòu)。該冷擠壓模具結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示，其特點(diǎn)是上、下模具采用導(dǎo)向套進(jìn)行導(dǎo)向，導(dǎo)向精度較高，模具結(jié)構(gòu)簡單，加工方便。上模采用堅(jiān)固螺帽進(jìn)行緊固，下模采用下模壓板進(jìn)行緊固，這樣有利于上、下模具的“對(duì)中”，且更換模具較快。

圖2冷擠壓模具結(jié)構(gòu)示意簡圖

⑵漸開線花鍵擠壓齒形模芯的設(shè)計(jì)。對(duì)模芯的設(shè)計(jì)主要包括選擇合適的齒形參數(shù)和齒形直徑，確定擠壓過渡段、擠壓段和頂出回程段的角度、長度和圓角大小。

模芯的齒形設(shè)計(jì)要求能夠按規(guī)定的齒厚和齒高冷擠出符合要求的工件齒形來，所以模芯齒形的模數(shù)及齒數(shù)應(yīng)與工件相同?？紤]到擠壓工件的熱脹冷縮以及模具和擠壓工件的彈性恢復(fù)等問題，模芯齒形的壓力角和變位系數(shù)不能與花鍵軸的齒形壓力角或變位系數(shù)相同。

一般情況下通過修正模芯齒形變位系數(shù)來保持壓力角不變。其變位系數(shù)主要與齒輪的模數(shù)、壓力角和擠壓變形程度有關(guān)。

模具材料和熱處理

為了滿足擠壓件大批量、高精度的要求，溫鍛選用了W 6Mo5Cr4V2來制造其凹模。W 6Mo5Cr4V2材料的化學(xué)成分大致見表1。

淬火工藝大致是：預(yù)熱730～840℃，淬火溫度為（鹽浴爐1210～1230℃，箱式爐1210～1230℃），回火溫度540～560℃，熱處理后的硬度在60～62HRC間。冷擠異形孔凸模則采用新型冷鍛模具材料LD（7Cr7Mo2V2Si）鋼來制造，LD鋼的淬火溫度較穩(wěn)，一般在1100～1180℃之間，回火溫度在510～620℃間。但為了要充分發(fā)揮LD鋼的高強(qiáng)度、高韌性優(yōu)勢(shì)，必須選擇合理的熱處理工藝。淬火和回火溫度的選擇與LD鋼的硬度、晶粒度、殘留奧氏體數(shù)量和力學(xué)性能等有關(guān)。我們經(jīng)過多次對(duì)比試樣和大批量生產(chǎn)中產(chǎn)品的壽命得出，汽車轉(zhuǎn)向螺桿冷擠壓用沖頭（LD鋼制造）的熱處理工藝為：1125℃±5℃淬火，550℃±5℃回火，其綜合性能較好，且模具使用壽命較高。

結(jié)束語

經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，該花鍵軸成形工藝設(shè)計(jì)合理，工藝方案正確可行，所有尺寸均達(dá)到了圖紙要求，經(jīng)送交客戶組裝整車試驗(yàn)，得到好評(píng)。目前此產(chǎn)品已經(jīng)開始大批量生產(chǎn)。需要注意的是在進(jìn)行工藝試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)謹(jǐn)慎地將模具裝配好，以保證產(chǎn)品的尺寸。