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驱动齿轮冷模锻工艺及模具设计

1 引 言

驱动齿轮是汽车电机中一个重要零件，其形状及尺寸如图1所示。过去，加工驱动齿轮的工艺是：首先在3 000kN摩擦压力机上锻坯，然后进行车削，最后加工齿形。由于零件结构的特点，齿形的加工只能采用插齿的方法，而且在插齿前，还需要加工退刀槽。这样，不仅材料消耗多，加工工时长，而且零件强度也不高，所以这种加工工艺比较落后。

图1 驱动齿轮零件

随着汽车工业的迅速发展，冷模锻的应用愈来愈多。除了具有较高的精度以外，更迫切的是要解决复杂的形状，同时还要不断提高制件的内在质量，减少原材料的消耗及机械加工工时，提高生产率，降低产品成本。

冷模锻技术是近年来研制和推广应用的一项新型模锻工艺。其基本原理是在封闭的型腔中，采用上下模具对毛坯进行镦粗—挤压成形。它可使毛坯在锻压设备一次行程中获得形状复杂的无毛边锻件，其尺寸精度及材料利用率均显著提高，同时省去锻后的切边工序，降低能耗，生产率也随之提高。

2 工艺分该公司已与德国4大汽车公司中的两家进行联合测试析

驱动齿轮零件材料为中高强度合金钢20CrMnTi，其供应状态强度高、变形抗力大、塑性较差，存在加工硬化现象，难以进行大变形量的冷模锻成形。但若对毛坯进行充分软化退火处理，以降低变形抗力和提高塑性指标，采用冷模锻成形工艺是完全可行的。

冷模锻成形工艺的成形尺寸精度可达IT7～IT8级，表面粗糙度可达Ra=0.4～0.8μm。本驱动齿轮直齿的齿面粗糙度为R通过摇臂的上下、旋转运动和自动提锤机构的沿臂径向运动来实现落锤冲击点的调理a=1.6μm，因此，采用冷模锻成形工艺可满足该零件的技术要求。

冷模锻工艺的生产过程是：下料→退火→冷模锻。整个塑性成形的特点是在单次进行有效的闭式冷模锻得到所需的制件形状及尺寸。

3 工艺设计

冷模锻工艺设计是冷模锻设计工作的第一步，它直接关系到制件质量、成本、生产效率及模具寿命等。

3.1 冷模锻件图的制订

根据驱动齿轮零件图及冷模锻工艺的基本要求，设计时应考虑解决下列问题：

(1)确定分模面位和优良的耐久性置。为使冷模锻件容易从模具中取出，并要求获得镦粗、挤压、充填成形的良好效果，同时考虑到开模时制件留在下模，因此，按该零件的形状，分模面的位置应选择在最大的外径处，见图2中的A－A。

(2)余量、余块及公差。冷模锻后需要机械加工的二端平面、退刀槽φ28mm、滚纹槽φ54mm和中心内孔φ46mm等加放余量，而孔径φ18mm考虑到模具容易断裂，加放余块，制成盲孔。考虑到坯料尺寸有公差，故制件的高度两端面各加放1mm的余量，其它尺寸的公差均在零件的公差范围内。余量及公差可查阅手册。

(3)模锻斜度。为了防止凸模与制件的中心内孔卡住及便于脱模，因此，在φ46mm的内孔处设有模锻斜度，其值为5°。

(4)圆角半径。冷模锻件尖角处的圆角半径直接影响冷模锻时的金属流动、型腔充满、冷模锻力、模具磨损和制件转角处流线切断等。按该零件的尺寸查阅手册。

特别是象黏度低的PP与PE更难剪切 根据以上所得数据，绘制出驱动齿轮冷模锻件图，如图2所示。

图2 驱动齿轮冷模锻件图

3.2 变形速度的选择

国内外资料及有关试验指出，要制振动泵成直齿齿面的精密形状，必须采用较高的变形速度才能挤压成形。因为较高的变形速度可提高金属塑性的变形程度，原因有二：一是变形速度大于冷加工硬化速度，致使材料可继续进行塑性变形，不会破裂；二是金属与模具型腔之间的摩擦系数随变形速度提高而下降，使金属流动速度加快，易充填成形，同时也降低了变形抗力，还可减少变形的不均匀性。现采用江苏海安县威弘锻压机械有限公司制造的CH83－50型液压模锻锤，其打击速度为6m/s(比机械爬宠药品冷挤压机的速度大3倍以上)，打击次数60次/min。

3.3 毛坯尺寸的选择

在驱动齿轮冷模锻件(图2)大端直径φ58mm与直齿端直径φ40mm之间选定一尺寸作为毛坯的直径。这一尺寸既能满足许用变形程度的要求，又要当作毛坯在型腔中的定位尺寸。根据这一设计原则，经所需的体积计算，选定直径为φ57.8mm，毛坯长度为22mm。

3.4 许用变形程度的计算

采用冷模锻成形工艺，先要验算该材料的挤压许用变形程度，一般用断面缩减率εF表示。20CrMnTi合金钢材料的冷挤压许用变形程度，按实验资料可得65％～7日标闸阀0％。根据本毛坯尺寸，经计算εF=(F0－F1)/F0×100％=45％，小于冷挤压许用变形程度，通过试验证实，驱动齿轮可以允许进行冷模锻成形工艺。

3.5 毛坯制坯处理

根据冷模锻工艺的要求，必须对毛坯材料进行制坯处理，它包括软化处理、表面处理及润滑处理，其工艺介绍如下：

(1)软化处理。20CrMnTi合金钢在供应状态下的硬度大于200HB，材料晶粒粗大不均，塑性较差，变