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摘 要
冷閉塞鍛造是國際上九十年代初出現的塑性加工最新技術，是現代計算機技術、材料科學、精密加工、測量技術和計算力學與傳統(tǒng)塑性成形技術相結合的產物。作為最先進的精密成形技術之一，冷閉塞鍛造工藝以其精密、優(yōu)質、高效、低消耗、低成本、大批量等生產特點，成為世界塑性加工技術發(fā)展的重要方向。長期以來，我國汽車生產，尤其在精密成形技術方面處于落后位置。隨著我國汽車生產，尤其是轎車生產的大規(guī)?；c全球性競爭的日趨激烈，積極開發(fā)冷閉塞鍛造成套技術并使之盡快產業(yè)化意義重大。本人設計的是用閉塞鍛造的方法直接加工成形直齒圓錐齒輪，即通過擠壓封閉腔中的坯料來加工成形直齒圓錐齒輪，采用精鍛（擠壓）方法成形的齒輪有沿齒廓合理分布而連續(xù)的金屬流線和致密組織，其齒輪的強度、齒面的耐磨能力、熱處理變形量和嚙合噪聲等都優(yōu)于切削加工的齒輪。與切削加工相比，精鍛齒輪的強度可提高20%、抗彎疲勞壽命提高20%、熱處理變形量比切削齒輪減少30%、生產效率提高了2倍以上、生產成本降低20%以上。生產批量在300～500件以上時，經濟上更合理的。
關鍵字：直齒圓錐齒輪、閉塞鍛造、擠壓、凹模、凸模
Abstract
Cold unenlightened forging is the plastic processing newest technology which on the international at the beginning of 90's appears, is product which modern computer technology, the materials science, the precise processing, the survey technology and computation mechanics and the traditional plasticity forming technology unifies. One of as most advanced precise formed technologies, the cold unenlightened forging craft by its precise, high quality, is highly effective, production characteristic and so on the low consumption, low cost, mass becomes the important direction of the world plasticity processing technological development. Since long ago, our country automobile production is in the backward position especially in the precise formed technology aspect. Along with our country automobile production, the passenger vehicle produces large-scale and the global competition in particular is day by day intense, positively develops the cold unenlightened forging complete set technology and causes it as soon as possible industrial production watershed. My design with the unenlightened forging method direct processing forming straight tooth bevel gear, namely processes the formed straight tooth bevel gear through the precise drop forging, uses the finish forge method forming the gear to have along the tooth profile reasonable distribution but the continual metal streamline and the compact texture, its gear intensity, the tooth face wear-resisting ability, heat treatment Distortion Quantity and mesh the noise and so on all as a result of the machining gear. Compares with the machining, the finish forge gear intensity may enhance 20%, the anti- curved fatigue life enhances 20%, the heat treatment Distortion Quantity ratio cuts the gear to reduce 30%, the production cost reduces above 20%. Production batch when 300 ～ 500, in economy more reasonable.
Key words: Straight tooth bevel gear, Unenlightened forging, Extrusion, Concave mold, Raised mold.
56
第1章 緒 論
直齒圓錐齒輪是應用極為廣泛的重要傳動零件。因其形狀復雜，材質、尺寸精度、表面質量及綜合機械性能均要求很高，很難以常規(guī)的塑性加工技術生產。目前，加工直齒圓錐齒輪主要還是以機械加工為主，而采用機械加工又費時、費料、效率低、工序長，所以本設計采用冷閉塞鍛造制坯再進行少量切削加工（或無機加工）的制造方法。
近年來，隨著機械工業(yè)，尤其是汽車工業(yè)的飛速發(fā)展與國際競爭的激化，零部件及其設計與生產過程的高精度、高性能、高效率、低成本、低能耗、省資源已成為提高產品競爭力的唯一途徑。常規(guī)切削加工技術和完全拘泥于傳統(tǒng)的粗放型塑性加工制坯工藝難以滿足要求，傳統(tǒng)的塑性加工技術與現代高新技術全方位的密切結合，實現塑性加工的智能化、精密化、高效率低成本以及可持續(xù)發(fā)展，已成為現代塑性加工技術發(fā)展的普遍趨勢和方向。
1．1 國外的發(fā)展現狀
在汽車工業(yè)發(fā)達的國家，冷精密鍛造技術迅速發(fā)展并發(fā)揮重要作用。冷精密鍛造技術已經從最初簡單的自行車零件、農用機械零件、普通精度零件的應用向汽車高精度復雜鍛件方向突破，其中最為引人注目的是以精密冷塑性成形技術作為基本支持的轎車復雜結構零件的產品設計。冷閉塞鍛造工藝是近幾年發(fā)展起來的先進制造技術。作為精密復雜零件生產的重要途徑，冷閉塞鍛造技術，又稱為復動成形技術，因其精密、優(yōu)質、高效、低消耗、低成本、大批量等生產特點而為汽車工業(yè)所矚目。以智能化技術為應用背景的冷閉塞鍛造工藝成為現代塑性體積成形技術發(fā)展的重要方向。
當前鋼制零件的冷鍛技術最為發(fā)達的國家當首推日本和德國。德國自五十年代起就將冷鍛技術應用于金屬加工工業(yè)。曾被用于軍工生產的冷鍛技術現在主要的面向對象是汽車工業(yè)，其中70%用于轎車業(yè)。在歐洲，轎車冷鍛件總產量每年達到20萬噸。這些零件代替了過去采用機加工或熱鍛成形的零件，廣泛用于變速箱、差速器、發(fā)動機、驅動和轉向系統(tǒng)。德國舒勒公司的統(tǒng)計結果表明：德國冷鍛件總產量的增加已遠遠高出轎車產量的增長，冷鍛成形工藝的應用范圍及其在轎車零件中的品種不斷擴大。在轎車工業(yè)發(fā)達的日本，冷鍛技術受到特別重視，六十年代冷鍛技術主要用于軸類、活塞銷、回轉體法蘭、緊固件等簡單零件；七十年代發(fā)展到形狀復雜的產品；八十年代以后開發(fā)出傘齒輪、等速萬向節(jié)、十字軸等高難度冷鍛件。
當代國外的冷鍛生產具有下列特點：
（1）冷鍛已由單工位發(fā)展到多工位生產，以合理減少每工序的變形量，減輕模具負荷，增加模具壽命，提高工藝穩(wěn)定性。
（2）由冷鍛發(fā)展到溫鍛進而又由溫鍛發(fā)展到溫冷聯(lián)合成形工藝，以適應大型高精度零部件的生產。
（3）閉塞鍛造工藝的應用越來越廣泛。由于可在一次變形工序中獲得較大的變形量和復雜的型面，并且具有高效率及較高的模具壽命，因此閉塞鍛造特別適合復雜零件的精密成形?，F已發(fā)展了閉塞鍛造專用壓力機和在通用單動壓力機實現閉塞鍛造的專用模架。
（4）冷鍛專業(yè)化生產程度越來越高，鍛造專業(yè)廠、專業(yè)模具廠迅猛發(fā)展。
（5）冷鍛設備得到充分的發(fā)展、高質量、高性能的多工位冷壓力機、閉塞鍛造專用壓力機等獲得廣泛的應用。
（6）冷鍛用鋼專門化。美國、德國、日本等都根據本國的資源情況發(fā)展了冷鍛專用鋼。如美國側重于發(fā)展含硼的冷鍛鋼，而日本、德國主要發(fā)展含鉻、鉬的冷鍛用鋼。冷鍛專用鋼的開發(fā)和使用，不僅使冷鍛生產效率有很大提高，更主要是從材料上充分滿足了冷鍛的工藝要求，提高了冷鍛工藝水平，降低了冷鍛成本。冷鍛專用鋼的發(fā)展和冷鍛技術的發(fā)展互相促進，形成了良性循環(huán)。
（7）計算機應用技術得到廣泛應用。由于冷鍛零件復雜性及市場對于開發(fā)周期，制件質量及成本的要求，以有限元技術為先導與核心的數值模擬與分析技術已成為冷溫成形研究與應用中的重要方面。CAD/CAM/CAE技術已較多地應用于模具設計、工藝設計和模具失效分析方面。
（8）成形零部件品種越來越多，體積越來越大，形狀越來越復雜。冷鍛部件由傳統(tǒng)的活塞銷、輪胎螺母、球頭銷等發(fā)展到等速萬向節(jié)，發(fā)電機爪極，傘齒輪、十字軸、三銷軸、變速器、螺旋傳動齒輪、汽車后輪軸等。
（9）以計算機輔助技術為依托，冷鍛生產由大批量向多品種小批量方面發(fā)展，順應產品生產的個性化發(fā)展趨勢。
1．2 國內的發(fā)展現狀
在國內，由于各方面的原因，特別是由于汽車工業(yè)長期處于小批量生產，我國的冷鍛技術未能得到健康的發(fā)展。至二十世紀八十年代，除了少數自行車零件和汽車標準件以及活塞銷等生產堅持冷鍛工藝外，絕大部分汽車零件采用熱鍛—機加工工藝生產。建國以來，我國汽車生產主要圍繞載重車進行發(fā)展，轎車作為奢侈品，在相當長的時間內沒有得到發(fā)展。因此我國冷鍛生產雖然起步較早，卻遲遲未有發(fā)揮其巨大優(yōu)勢的用武之地。此外冷鍛生產涉及成形工藝技術、模具技術、材料科學、表面處理技術乃至質量管理等當代科技硬件和軟件技術，相關工藝技術也制約了冷鍛技術發(fā)展和工藝水平的提高。
近幾年，隨著我國汽車尤其是轎車工業(yè)的發(fā)展，國內企業(yè)界有識之士已充分認識到這一點。轎車工業(yè)高投入，大批量和高技術含量的要求，其零部件結構復雜、精度高，使得采用純切削加工方法引起的耗時、費料等諸多弊端已遠不能令企業(yè)接受。國內一些專業(yè)生產廠如揚州第一汽車齒輪廠、揚州太平洋精密鍛造公司、江蘇森威集團，相繼引進了日本冷鍛技術和設備、瑞士冷擺碾設備等，用于包括轎車差速器傘齒輪、等速萬向節(jié)星形套、花鍵軸等冷精密復雜零件的研制。近年來，吉林大學輥鍛所在國內率先開展了直齒圓拄齒輪冷精密鍛工藝及其相關生產技術的研究，取得良好效果。目前正在自主研究開發(fā)轎車復雜零件冷閉塞鍛造技術。
有關專家指出，以轎車工業(yè)的迅速發(fā)展為契機，推動我國冷精密鍛造及相關技術的發(fā)展與進步，使我國冷精密鍛技術進入世界先進行列，是國內塑性加工業(yè)現在乃至未來數年的主攻目標。
第2章 冷閉塞鍛造概述
2．1 閉式擠壓
冷閉塞鍛造技術特別適合生產類似直齒圓錐齒輪、差速器傘齒輪、等速萬向節(jié)星形套、十字軸、三銷軸等形狀復雜、性能要求高、加工難度大的關鍵零部件。
冷閉塞鍛造就是在室溫下通過閉式擠壓坯料使之直接成形為產品零件。閉式擠壓是金屬壓力加工的一種無切削加工工藝，將擠壓模具裝在壓力機或液壓機上，利用壓力機或液壓機的往復運動，在室溫下使金屬在三向壓應力狀態(tài)下發(fā)生塑性變形，從而擠出所需尺寸、形狀及性能的零件。
從金屬塑性變形原理可知，當金屬坯料處于三向應力狀態(tài)下變形時，能大大提高金屬的塑性，允許金屬有較大的變形。因此，金屬擠壓工藝不僅可以成形各種復雜的零件，而且還使低塑性金屬和合金有成形加工的可能性。由于閉式擠壓坯件受三向不均勻壓應力作用，故可得到坯件與擠壓中凸模緊密貼合的高精度型腔。但擠壓所需的單位壓力大，基準凸模受壓力很大（高達1800 MPa～3500MPa），因而降低了凸模的使用壽命。即使擠壓中等尺寸的型腔，也需要很大的壓力。閉式擠壓時，需采用容料坑或者減壓穴的坯件，使被擠出的大部分金屬流入其中，減小單位擠壓力。
2．2 冷閉塞鍛造成形的優(yōu)點
在機械制造工藝領域內廣泛采用擠壓先進技術，取得了顯著的成效。近年來，各種擠壓工藝的發(fā)展，已使它成為金屬壓力加工中先進工藝之一，無論在技術上和經濟上它都有很多的優(yōu)點。
（1）節(jié)約原材料，降低成本。復雜零件冷閉塞鍛造技術可實現少無切削加工，顯著提高了材料利用率，節(jié)省大量的優(yōu)質鋼材，大幅度降低了生產成本。以下圖所示的接頭為例：舊工藝用棒料直接車出零件，后改用擠壓毛坯，使生產率提高了2.2倍，材料利用率提高1.6倍。
擠壓件 車出件
（2）省工時、縮短生產周期、提高生產效率。在現代工業(yè)體系中，提高大量生產的水平實際上就等于降低了每個零件的價格。采用冷閉塞鍛造工藝可一次成形精密復雜汽車零件，省去了大量機加工工時，大幅度提高了生產效率。
（3）降低能源消耗、節(jié)省了設備投資。冷閉塞鍛造屬無飛邊、復動精密成形。工作壓力小，總工序的減少帶來了設備投資、刀具消耗及燃料動力費用等的大幅度降低，節(jié)省了能源消耗。
（4）成形件綜合性能優(yōu)良，提高了零件的機械性能。切削加工把金屬內部的纖維割斷，從而降低了零件的機械性能。冷閉塞鍛造精密成形，在擠壓的過程中，金屬是處于三向應力狀態(tài)，變形后能在成形零件內部形成致密均勻的材料纖維組織，金屬流線沿表面輪廓連續(xù)、且分布合理，形成表面加工硬化層以及圓滑過度的圓角溝槽。由于冷閉塞鍛造精密成形制件的主要輪廓（如齒輪齒面）不再進行機加工，這種合理的金屬纖維及良好的表層組織并不破壞，而且在擠壓的過程中產生很高的溫度，相當于對制件進行了一次熱處理，從而大大提高零件的耐磨性、機械性能與疲勞壽命等。
（5）提高了零件的精度及表面粗糙度并且模具壽命高。在擠壓過程中，金屬表面在高壓下受到模具表面的熨平，因此零件的表面粗糙度很細，可達Ra1.6～0.2，尺寸精度的公差范圍最高可控制到±0.015mm。擠壓工藝可以獲得較理想的制件表面粗糙度與尺寸精度，有些零件經擠壓之后不再進行切削加工。
（6）可加工形狀復雜的零件。在壓力機的往復直線動作下完成復雜的加工工序，并可以制成形狀復雜的零件，如錐齒輪、十字軸等。
2．3 擠壓件分類
多數擠壓件的外形以軸對稱為主。由于零件的形狀不同，擠壓變形時應根據零件的變形方法及模具中金屬流動方式不同。擠壓件有：
正擠壓件：擠壓時金屬流動方向與凸模運動方向相同；
反擠壓件：擠壓時金屬流動方向與凸模運動方向相反；
復合擠壓件：擠壓時金屬沿凸模運動方向和相反方向同時流動；
徑向擠壓件：擠壓時金屬流動方向與凸模運動方向垂直。
另外還有斜向擠壓件及敦擠件。而閉塞鍛造主要以反擠壓件為主。
第3章 直齒圓錐齒輪三維實體造型及參數分析
3．1 三維實體造型軟件介紹
通過應用軟件對零件特別是復雜零件進行三維造型，然后，通過軟件自身的分析或其他功能可以直接得到零件的某些參數，如復雜零件的體積、質量、面積等，這樣可以簡化很多設計步驟，而且得到的結果更準確?，F在流行的三維造型軟件主要有UG、Pro/engineer、Auto-CAD等。Pro/engineer(簡稱Pro/e)是美國參數公司推出的新一代CAD/CAE/CAM集成化機械設計軟件，由于其強大的功能，可為機械設計、分析、加工一體化提供一整套解決方案，很快得到普遍歡迎，并迅速成為當今世界應用最為廣泛的CAD軟件之一。
Pro/e軟件的特性：
Pro/e獨特的參數化設計概念，除了采用單一數據庫的設計、支持同步工程的功能之外，還包括以下特性：
（1）3-D實體模型。Pro/e擺脫了傳統(tǒng)線創(chuàng)建、面創(chuàng)建，改用3-D實體架構，除了可以將模型真實地呈現在設計者的面前外，更可以輕易地計算出實體的表面積、體積、重量、慣性矩和重心等物理量，讓用戶更真實地了解產品的特性。
（2）以特征為基礎的參數式模型創(chuàng)建。
（3）參數式設計。Pro/e配合其獨特的單一數據庫設計，將每個尺寸視為可變的參數，只要修改這些參數的尺寸，相關的實體模型即會依照尺寸的變化重新產生，達到設計變更的一致性。借著參數化的設計，設計者可以運用邏輯關系式或數學運算方式建立尺寸與尺寸之間的關系式（relation），如此可以減少人工改圖或計算所花費的時間并減少錯誤的產生。
3．2 直齒圓錐齒輪幾何尺寸計算
直齒圓錐齒輪用于相交兩軸之間的傳動。本次設計的直齒圓錐齒輪的幾何參數為：齒數z=10，模數m=5.4，法向齒形角αn=22°30′，分錐角δ=32°，根錐角=27°24′，錐齒輪精度為GB11365-89，齒圈跳動公差Fr=0.04,齒距極限偏差±=0.018。
該直齒圓錐齒輪的幾何參數計算公式及結果如表3.2—1所示。
表3.2—1直齒圓錐齒輪的幾何參數計算公式及結果
參 數 名 稱
計 算 公 式
計 算 結 果
分度圓直徑De
De=mz
54
錐距Re
Re=De/2sinδ
50.95
齒頂高
=m
5.4
齒根高
=(ha*+c*)m
6.48
大端齒頂圓直徑Da
Da=De+
63.16
分度圓齒厚S
S=mπ/2
8.48
與之嚙合齒輪齒數
=z/tanδ
16
3．3 直齒圓錐齒輪三維造型及計算其體積和質量
3．3．1 直齒圓錐齒輪三維造型過程
為了節(jié)省時間，本次設計直接應用了Pro/e的參數化設計的功能，通過改變已有直齒圓錐齒輪的相關參數（如模數m、齒數z、分錐角δ等）而得到所需齒輪的實體三維圖，其具體過程如下：
（1）調用直齒圓錐齒輪。在Pro/e環(huán)境下從零件庫中調出直齒圓錐齒輪；
（2）改變參數。依次單擊工具→程序→編輯設計，然后在彈出來的記事本窗口中輸入相應的參數：模數m=5.4、齒數z=10、齒寬B=16、嚙合齒齒數=16；
（3）完成三維圖形。如圖3—1所示：
圖3—1
3．3．2 計算齒輪的體積、質量
由于冷閉塞鍛造對坯料的體積及質量要求一般很嚴格，大了容易損壞模具，小了金屬不能充滿型腔，所以必須精確計算出齒輪的體積和質量。而在Pro/e環(huán)境下可以直接應用Pro/e自身的模型分析功能得到三維圖形的體積，并且在輸入相應密度的情況下可以計算出零件的質量，而且由此得到的體積和質量很精確。通過應用Pro/e的模型分析對得到的直齒圓錐齒輪進行計算得到以下數據：
體積V=26859.126
密度ρ=0.0078g/
質量M=0.2095Kg。
第4章 直齒圓錐齒輪冷閉塞鍛造工藝方案確定
直齒圓錐齒輪冷閉塞是一種精密成形加工技術，精度要求一般都很高，所以在考慮工藝方案的時候，要把達到要求的精度作為首要出發(fā)點。工藝設計是直齒圓錐齒輪閉塞鍛造模具設計的基礎，它是模具設計的主要技術依據，工藝設計的好壞，直接影響到制件的質量、成本、生產效率和模具壽命等很多方面。
4．1 冷鍛件設計
根據零件圖確定冷鍛件時，主要考慮如下方面：
（1）分模面安置在鍛件最大直徑處，能鍛出全部齒形和順利脫模。
（2）齒形和小端面不需機械加工、不留余量。背脊面是安裝基準面，
擠壓時不能達到精度要求，預留1mm機械加工余量。
（3）圓角半徑不能太小，否則容易造成充不滿。
產品零件圖如圖4—1所示。為了保證模鍛后順利脫模及齒形的完整性，將分模面選在零件的最大截面處，即圖中的A處。
圖4—1
采用冷閉塞鍛造技術，其目的是為了提高鍛件的尺寸精度，生產盡量接近零件最終形狀的產品，甚至提供或成品零件。因此在制定鍛件時，對其機械加工余量、公差和圓角半徑應予以充分重視。由于本次設計的模具是一次加工成形直齒圓錐齒輪，所以鍛件圖與零件圖基本一致（如上零件圖）。
4．2 毛坯尺寸的確定
毛坯的體積的大小直接影響到鍛件充填結果的好壞。如果毛坯料尺寸過小，將導致模腔充不滿；體積過大，則會導致模具和設備負載過大從而造成模具和設備的損壞，所以在必須準確確定毛坯料的體積。
本次設計采用圓柱形坯料，其直徑d=38.5mm，由前述可知直齒圓錐齒輪的體積為 V=
則：由V=有：
h=
=
=23mm
即選用直徑d=38.5mm，高h=23mm的圓柱形毛坯，其材料為20鋼。
閉塞鍛造是對傳統(tǒng)機械加工方法的一次重大改革，它省去了齒形部分的機加工，齒形可一次成形，直齒圓錐齒輪加工工藝流程大致如下：
下料→冷閉塞鍛造成形→切削加工→熱處理→檢測
第5章 模具設計
5．1 擠壓力的計算
擠壓力是模具設計、模具材料和擠壓設備噸位選擇的依據。
確定擠壓力包括兩項內容：決定在凸模上所承受的單位擠壓力，目前冷擠壓模具鋼所能承受的許用單位擠壓力為2500MPa，決定此工序變形所需的總噸位。將凸模上承受的單位擠壓力乘凸模的水平投影面積，即可算出變形所需要的總擠壓力。
擠壓力的確定方法很多，有圖算法、公式計算法等。下面應用公式法來計算閉塞鍛造過程中所需要的擠壓力。計算過程如下：
由有：
坯料拉伸強度擠壓力：
其中： P—擠壓型腔所需的壓力KN
F—凸模的投影面積
—單位擠壓力MPa
凸模的投影面積為：
F= （其中d=38.5mm）
F=
=1163.57
文獻5有=380MPa，則由文獻3表9—5有
則擠壓力為：
=2420.2178KN
5．2 冷閉塞鍛造成形特點
冷閉塞鍛造成形過程（見下圖5—1）如下：先將上下成型模具閉合并施加一定的工作載荷壓緊，毛坯在封閉的模腔內產生一定的變形，再由復動式凸模施加壓力，，使毛坯產生多向流動，從而在一道變形工序中齒輪零件冷精密塑性成形。
圖5—1
5．3 模具工作零件設計
5．3．1 模具設計前需要考慮的有關問題
1、綜合情況考慮
（1）擠壓件的使用條件；
（2）擠壓件的性能要求：如強度、硬度、沖擊韌性等；
（3）擠壓件的結構形狀：如是否適合擠壓工藝，脫模是否有困難；
（4）擠壓件的精度要求：如尺寸精度，位置和形狀等；
（5）擠壓件的表面粗糙度要求；
（6）擠壓件的生產量：包括批量及長遠的需要情況；
（7）擠壓件的成本費用。
2、擠壓件的形狀合理性
（1）避免內錐體形狀。擠壓內錐體零件，模具壽命低。對此應加大余量，擠壓后用切削加工得到。
（2）避免徑向有局部金屬積聚或有輻板、十字筋等形狀。因為這類零件成形時，在擠壓方向上的金屬流動不能局部積聚，金屬流動困難。
（3）避免銳角。因為銳角處金屬流動困難，阻力升高，模具轉角處容易磨損和開裂。在允許的情況下，應盡量將擠壓件改為圓角。
（4）避免零件壁上有環(huán)形槽和徑向孔。
3、冷擠壓過程的關鍵問題
在冷擠壓成形的過程中，通過冷擠壓模具對擠壓坯料作用擠壓力而使其變形，而被擠壓材料對模具施以反作用力以反抗變形。如果模具的承載能力大于擠壓力，就可以順利地將制件擠成，如果模具的承載能力小于擠壓力將引起模具損壞。而且在擠壓的過程中產生很大的開模力，如果不能克服開模力，制件也不能擠成。在很多情況下（如本次設計冷擠壓20鋼），這是冷擠壓能否正常進行的關鍵問題。
為了解決這個問題，使冷擠壓技術能付諸生產實踐，就必須設法降低壓力，提高模具的承載能力，為此考慮以下問題并給予解決：
（1）選用適合于冷擠壓加工的材料，如本次所選材料20鋼；
（2）設計合理的、工藝性良好的被擠零件結構；
（3）采用合理的冷擠壓工藝方案，使每道工序的擠壓力均不超過模具的承載能力；
（4）選用合理的毛坯軟化熱處理規(guī)范；
（5）采用合理的毛坯表面處理方法與潤滑劑；
（6）設計制造適合冷擠壓特點的模具結構，既保證產品質量，同時又具有較長的工作壽命，較高的生產率與工作上的安全可靠。如本設計采用4個杠桿來克服開模力。
（7）選擇適合于冷擠壓工藝特點的機器與設備。
4、模具設計要求
冷擠壓時單位壓力較大，模具應當符合以下要求：
（1）凸凹模工作部分應當有較高的強度與較長的使用壽命；
（2）凸凹模工作部分能簡捷而可靠地固定在模架上；
（3）模具的易損部分拆換方便；
（4）毛坯放置容易，定位準確，在大量生產時有可能采用半自動或全自動送料。如本設計采用坯料外圓和沖頭端面定位；
（5）擠成的工件可以方便取出，本設計采用頂料桿將工件頂出；
（6）模架能牢固地安裝在壓力機上，本設計采用四個緊固螺釘將模架固定在液壓機的T形底座上；
（7）制造簡單，成本費用低。
（9）保證操作工人安全。
與一般模具相比，冷擠壓模具的特點是：
（1）模具工作部分的材料選擇較為嚴格；
（2）模具工作部分應盡量采用光滑圓角過渡，防止由于大小直徑劇烈變化應力集中而損壞模具；
（3）模具工作部分與上下底板之間應當有足夠的支撐面積與足夠厚度的淬硬墊板以承受壓力，擴大承壓面積，減小上下底板上的單位壓力；
5．3．2 凸模（沖頭）的設計
1、凸模材料的選擇
承受很大的壓力，（單位壓力），為保證凸模在高壓下工作，凸模應具有高的強度、硬度、足夠的韌性和耐磨凸模性，凸模的材料應有良好的淬硬性和淬透性，且淬火變形小。此外，模具材料還應具有良好的切削加工性，以便于模具的機械加工。由表9—11及單位擠壓力取凸模（沖頭）材料為：W6Mo5Cr4V2。
2、凸模（沖頭）設計
凸模（沖頭）承受最大的單位擠壓力和最大的局部壓力。所以，在設計凸模（沖頭）時必須綜合考慮其各個部分的受力情況，特別要注意集中應力的產生，否則會因某部分應力過大而導致沖頭斷裂。綜合考慮采用圖5—2所示的沖頭形式，它既可以減少單位壓力，又可以保證壁厚均勻。
其中：d為工作帶直徑且d=38.5mm；
=(0.5～0.7)
=（19.25～26.95）mm
??；
取；
取。
圖5—2
由于在擠壓的過程中，凸模承受很大的壓力，所以在R處均采用圓角過渡，以防止在R處產生集中應力而使凸模開裂，從而可以延長凸模的使用壽命。最后得到沖頭如圖5—3所示；
圖5—3
5、3、3 凹模的設計
冷擠壓凹模承受很高的單位壓力。為了提高凹模的承載能力，有效延長模具的使用壽命，冷擠壓凹模采用預應力壓套加強的組合式凹模。組合式凹模設計應包括預應力壓套結構形式的確定，壓套尺寸的設計及過盈的經驗選取。
1、 組合模結構設計需要解決的問題
（1）凹模強度
凹模強度與坯料的形狀和尺寸、坯料材質、鍛件的精度、模具結構及模具的材料性能等有關。由表2—39，凹模模芯采用高強度、高韌性、耐磨性高、抗壓強度大的材料W6Mo5Cr4V2。
（2）模具的彈性變形
由于冷鍛件變形力很大，模具會產生一定的彈性變形，鍛件出模后有彈性恢復現象，此因素是設計凹模型腔尺寸比較關鍵的問題。彈性變形估計過小，鍛出的鍛件尺寸過大，不符合鍛件要求。彈性變形估計過大，會造成鍛件尺寸過小，機械加工余量不足，尺寸精度超差，造成廢品。所以設計凹模型腔時必須嚴格按照產品零件圖進行選擇。
2、 組合式凹模的結構形式設計
為了在凹模內壁產生足夠大的預應力，可以采用一個或多個帶有一定過盈量的預應力壓套。壓套數目在1—3個范圍內，依單位壓力數值的大小而定。當單位壓力小于1000MPa時，可以采用整體式結構凹模，即不鑲預應力壓套；大于1000MPa而小于1600MPa時，采取一個壓套單壓配合的雙層組合凹模；大于1600MPa而小于2200MPa時，選用兩層壓套雙重配合的三層組合凹模。
由于冷閉塞鍛造變形力比較大，凹模承受較大的單位壓力，同時凹模彈性變形較大，由表9—5且20鋼的單位擠壓力為2080MPa，所以采用預應力三層組合凹模結構，以提高凹模的承載能力和減小彈性變形，如圖5—4所示：
其中：為凹模內徑即擠壓件最大直徑=63.16mm,γ=1°30′
由文獻3—表6—4有：
=(1.55～1.8)
=(1.55～1.8)
=(97.9～113.8)mm
取=100mm；
=(2.45～3.25)
=(2.45～3.25)
=(154.7～205.3)
取=170mm;
=(4～6)
=(4～6)
=(252.6～379.0)
取=350mm.
圖5—4
綜合考慮零件的尺寸及結構形式并設計出型腔的結構，最后得到下凹模零件圖如圖5—5所示及上凹模零件圖如圖5—6所示。
圖5—5
圖5—6
3、組合凹模的裝配
為了裝配方便和容易得到所需的過盈量，將配合面都做成1°30′的斜度如圖5—5所示，此時軸向壓合量C由下式計算：
C=
其中：γ—斜度；
μ—徑向過盈量；
C—軸向壓合量。
又： μ=
由參考文獻3表6—4有=0.0105，=100mm,=0.0045，=170mm
所以： ==0.0105=1.05mm
==0.0045=0.765mm
因此，模芯與中模的壓合量為：
=
=
=
中模與外套的壓合量為：
=
=
=
組合式凹模的裝配是生產中的重要環(huán)節(jié)，對于能否獲得預期效果有直接影響，常見的裝配方法有：
（1）加熱裝配
利用熱脹冷縮原理進行組裝的一種方法。這種方法是將壓套加熱至一定溫度后，再將鑲塊自由放入其中，使鑲塊在壓套中處于浮動狀態(tài)進行冷卻，當壓套冷卻后便將鑲塊自然箍緊。
（2）室溫下壓入裝配
在室溫下，用油壓機將鑲塊與壓套沿著配合錐面進行壓合。
（3）配模裝配
在室溫下，先按要求加工出內孔，然后根據壓合量一邊磨外圓一邊測量，進行試探性地裝配。
5．3．4 杠桿的設計
采用杠桿原理來克服開模力是本次設計的創(chuàng)新之處。
1、開模力的計算
由前述可知，沖頭的單位擠壓力P=2080MPa，對上模型腔受力分析如圖5—7所示。
圖5—7
由參考文獻6有：
=
其中如右圖：—斜面上的正應力MPa； P δ（P1）
—x軸方向上的應力MPa； 58°
—y軸方向上的應力MPa；
—切應力MPa；
—橫截面上的正應力MPa，即為單位擠壓力P；
—傾斜角°。
易知：P=2080MPa，=0MPa,,,P=2080MPa.
則：
=
=
=
=584.09MPa
利用Pro/e的模型分析功能可以計算出應力的作用面面積，即圖5—7中的圓錐臺的側面積為：
S=2321.73
所以，側面的受力為；
=
=584.09
=1356.099276KN
則開模力為： F=
即： F=1356099.276×sin58°
=1150.037409KN
3、 杠桿尺寸的設計
根據模具底座的結構及其尺寸以及杠桿的工作原理，采用4根對稱分布
的杠桿來克服開模力，并初步定出杠桿的形狀及尺寸如圖5—8所示。
圖5—8
4、 校核
圖5—9
如上圖5—9所示為初步擬訂的模具結構的圖形。當沖頭3對毛坯閉式擠壓時，由于金屬流動會產生三向應力，所以對上模將會產生側向擠壓力，從而導致開模力F的產生，由于本次設計采用4根杠桿來克服開模力，則為了克服開模力，在杠桿與壓板2及半圓塊接觸的A處必須有向下的壓力F1；又根據力的傳遞性，當沖頭3對毛坯施加擠壓力P時，力通過下模4及墊板5傳遞給模筒6，而杠桿通過銷軸作用在模筒6上。所以，當模筒6受擠壓力往下運動時，除了受沖頭3傳遞的擠壓力以外，還受到銷軸1對它的在B處的向上的阻力，則由文獻6及作用力與反作用力原理可知，在A處必有反作用力，在B處必有反作用力，在C處必有一個向上的力F3，即杠桿的受力情況如下：
由前述易知： =
=
=605.05KN
由杠桿原理對C點取矩有：
則有：=
=
=432.1785714KN
所以4根杠桿可用于克服開模力的總力為：
=4
=4
=1728.714286KN
因為： KN>F=1150.037409KN
即杠桿可提供的壓力大于開模力，所以可選用該杠桿，即該杠桿符合要求。
5．3．5 導向、頂出件設計
1、導向裝置
由于本次擠壓件的精度要求較高（7級），故本模具結構采用導柱導套導向。其設計原則是：
（1）在上止點或當凸模與工件接觸時，導柱進入導套的深度不得小于15～18mm；
（2）在下止點，導柱的上端與模板之間的距離不得小于10～12mm；
（3）為預防偏心載荷，進一步提高導向精度和工作穩(wěn)定性，導柱直徑應適當加粗，一般取φ40～φ60mm，需要時可取φ80～φ120mm并且要求導柱對稱分布。
根據以上原則，本模具采用2根對稱的導柱，導柱結構如圖5—10所示。
圖5—10
2、頂出與卸料裝置
（1）頂桿
本次設計采用如圖5—11的頂桿推頂結構的頂桿，其材料為40Cr。它具有使用可靠，調整方便，便于加工和更換，經濟合理耐用等優(yōu)點。
圖5—11
（2）頂料桿
本設計采用如圖5—12所示結構的頂料桿，其材料為W6Mo5Cr4V2。這種結構的頂料桿前端為圓弧形狀，有利于金屬流動，減小擠壓件的底部毛刺，而且加工也方便。
圖5—12
（3）開模頂桿
圖5—13
本模具結構采用3個120°等分布的開模頂桿，頂桿結構如圖5—13所示，其材料為40Cr。
5．4 模具總體結構設計
圖5—14
1． 底座2．模筒3．上模4．下模5．墊板6．開模頂桿7．頂板8．頂桿9．導
套10．螺釘11．墊塊 12．導柱 13．螺釘 14．彈簧墊圈15．螺釘16．銅套17．上導柱 18．沖頭19．螺母20．定位套21．上模座22．螺釘23．承壓墊24．承壓柱25．沖頭座26．頂料桿27．杠桿28．半圓塊29．支承板30．銷軸31．壓塊
綜合前面所述，由于冷閉塞鍛造變形力比較大，凹模承受較大的單位壓力，同時凹模彈性變形較大，因此采用三層組合預應力結構，以提高凹模的承載能力和減小彈性變形；為了提高鍛件精度，便于調整模具，減少模具錯移，采用四個導柱導向，其中兩個為上導柱；為了防止沖頭斷裂，提高沖頭的使用壽命，采用四個杠桿結構并通過銷軸連接在模筒上來克服閉式擠壓時產生的開模力，同時也減輕對了液壓設備的選擇要求，即可以選擇相對噸位比較低的液壓設備。由文獻13，設計出模具的結構如圖5—14所示。
其工作過程大致如下：首先將毛坯從壓塊31的中心孔中放入，然后通過壓力機對上模座21施加壓力并通過上導柱17導向而向下運動，從而使沖頭18與毛坯接觸而對毛坯施加擠壓力以至毛坯在型腔中成形。
第6章 技術經濟性分析
用冷閉塞鍛造擠壓成形的 直齒圓錐齒輪比溫、熱模鍛成形的直齒圓錐齒輪精度更高，一般熱模鍛件能達到精度為（±0.5～±1.0）mm，溫模鍛件為（±0.1～±0.2）mm，而冷鍛件為（±0.01～0.1）mm。20鋼原始毛坯φ38.5×23mm在10000KN普通擠壓液壓機上僅只用一次擠壓便能成形。成形后的零件無須或者只需少量機加工。
應用閉塞鍛造加工成形的直齒圓錐齒輪其齒形表面精度可達7級，表面粗糙度Ra1.6μm，無飛邊，材料利用率為90%以上，而且尺寸精確，宏觀組織比機械加工的更致密，流線方向與鍛件的輪廓形狀一致。而且這種模具的優(yōu)點是結構和緊固機械部分都比較簡單且工作可靠。此外，該模具只需采用普通的液壓設備就可以進行大批生產，具有設備投資少，模具成本低，發(fā)效快等優(yōu)點。與熱精鍛加工的直齒圓錐齒輪齒形表面精度8級，表面粗糙度Ra3.2μm，鍛坯需進行切邊，鉆孔等后續(xù)加工，材料利用率為76%相比，經濟效益十分顯著：該直齒圓錐齒輪鍛件按年產量10萬件計算，每個鍛件的才料可節(jié)省0.032Kg，則每年節(jié)約材料3.2噸；與切削加工相比，精鍛齒輪的強度可提高20%、抗彎疲勞壽命提高20%、熱處理變形量比切削齒輪減少30%、生產效率提高了2倍以上、生產成本降低20%以上。
第7章 專題論文
齒輪在模鍛后,如何解決齒不易充滿型腔的問題
摘要：由于直齒圓錐齒輪的尺寸精度與質量要求一般都很高，難以采用常規(guī)的塑性加工技術成形。冷閉塞鍛造技術是近年發(fā)展起來的精密成形技術。然而，在采用冷閉塞鍛造成形直齒圓錐齒輪時，金屬能否充滿型腔直接影響到直齒圓錐齒輪的尺寸精度和產品的加工質量。本文分析了成形過程中影響金屬充滿的一些情況并采取了相應地解決措施。
關鍵字：直齒圓錐齒輪、閉塞鍛造、模腔
Abstract: Because of the straight tooth bevel gear size precision and the quality requirement all very are generally high, uses conventional with difficulty the plastic processing technology forming. The cold unenlightened forging technology is the precise formed technology which the recent years developed. However, when uses the cold unenlightened forging forming straight tooth bevel gear, the metal whether filling cavity directly affects the straight tooth bevel gear size precision and the product processing quality. This article analyzed in the forming process to affect some situations which the metal filled and to adopt correspondingly has solved the measure.
Key words: Straight tooth bevel gear, Unenlightened forging, Cavity.
隨著機械工業(yè)的迅猛發(fā)展及外向型經濟的日益擴大，對模鍛行業(yè)的裝備及工藝技術提出了更高的要求。采用新型模鍛工藝 —閉塞鍛造工藝，金屬坯料在模膛中成形。閉塞鍛造工藝又稱復動式凸模在一個方向或多個方向施加不同的壓力，使毛坯產生多向流動，從而可在一道變形工序中獲得較大的變形量和復雜的型面，可以鍛造出幾何形狀更復雜、尺寸精度高、表面質量好的鍛件。冷閉塞鍛造成形過程（見圖-1）如下：先將上下成型模具閉合并施加一定的工作載荷壓緊，毛坯在封閉的模腔內產生一定的變形，再由復動式凸模施加壓力，，使毛坯產生多向流動，從而在一道變形工序中齒輪零件冷精密塑性成形。
圖—1
與開式模鍛相比，閉塞模鍛可以顯著提高金屬材料的利用率和鍛件精度。而冷閉塞鍛造技術是國際上近年發(fā)展起來的先進制造技術。閉塞鍛造作為精密復雜零件生產的重要途徑，以其精密、優(yōu)質、高效、低消耗、低成本、大批量等生產特點而為汽車工業(yè)所矚目。直齒圓錐齒輪是應用極為廣泛的重要傳動零件。因其形狀復雜，材質、尺寸精度、表面質量及綜合機械性能均要求很高，很難以常規(guī)的塑性加工技術生產，通常采用模鍛制坯即采用閉塞鍛造制坯然后再切削加工的制造方法。在此過程中，金屬能否充滿型腔直接影響到直齒圓錐齒輪的尺寸精度和加工質量，甚至導致劣質產品的產生或產品的報廢。因此，分析加工過程中影響金屬充滿型腔的因素并尋求優(yōu)化方法十分必要。
1、產品圖分析
如圖-2所示為直齒圓錐齒輪。模數m=5.4，齒數z=10，法向齒形角αn=22°30′，大端分度圓直徑de=54，大端錐距Re=50.95，分錐角δ=32°，根錐角δf=27°24′其主要齒形精度為GB11365—89，齒圈跳動公差Fr=0.04，齒距極限偏差fpt=0.018，材料為20鋼。毛坯直徑d=38.5mm.
成形該直齒圓錐齒輪的變形量在80%以上，冷成形難度大，精度、表面粗糙度要求高，一般的成形工藝不易保證，尤其齒形的充填情況不容樂觀，極有可能齒頂充填不滿，有弧形內凹陷，或小端充填不飽滿，有塌陷，齒面，齒根有折疊等缺陷。這就要求以齒形充填飽滿、改善變形條件（降低金屬沿齒頂、齒向的流動阻力）為目的來設計模具結構和制定工藝方案。
圖—2
2、模鍛時型腔充填問題分析
閉塞鍛造時，引起金屬充不滿的原因可能是：在模膛深而窄的部分和端部圓角處由于阻力大不易充滿；在模膛的某些部分（如齒的倒角處），由于金屬很難流到而不易充滿；制坯時某些部分坯料體積不足，或操作時由于放偏，某部分金屬量不足引起充不滿等。
2．1 毛坯對型腔充填的影響及坯料的設計
圖—3
坯料形狀、尺寸的確定應滿足鍛件圖對坯料體積、質量的要求，遵循體積不變的原則進行設計。閉式鍛造工藝對坯料的體積和重量要求較精確，大了，小了都不行，大了模具易破損，小了不能充滿，即不能滿足成型，所以必須進行精確的計算。體積確定后還必須根據成形工藝的要求確定合理的高、徑尺寸，及必要的工藝倒角、圓角、減荷穴等。在體積相等的條件下，坯料的高、徑比不同對金屬充填齒形的影響很大。另外對坯料的表面粗糙度要求較高，并在兩端車有工藝倒角，中心開有減荷穴等，如圖3。
另外，直齒圓錐齒輪主要用鐓擠成形。如果直接用圓柱形毛坯鐓擠，齒形難于充滿，要使錐齒輪成形良好，首先要對毛坯端都進行預成形，使其錐角近似于齒形錐角，然后再鐓擠成形。
2．2 型腔結構對型腔充填的影響及其設計
在采用閉塞鍛造制造直齒圓錐齒輪時，型腔的結構對金屬能否充滿型腔有很大的影響，而其中齒輪的端角角隙又起關鍵作用，是最難充滿的地方。由于直齒圓錐齒輪的齒的倒角用圓角替代對齒輪的功能等都沒有多大影響，擠壓過程中，當型腔采用直倒角時，金屬質點的流動要拐過一個很大的角度再流入角隙（如圖-4左），并且此時需要的壓力也大，相應的對模具損壞也就增大；而用圓角代替齒的直倒角更有利于金屬的流動及角隙的充滿，而且圓角半徑R越大，越有利于金屬的流動即更有利于角隙的充滿，但圓角過大，會影響到直齒圓錐齒輪的功能及應用，所以本模腔內的角隙取值為2mm，如圖4右所示。
圖—4
2．2．1摩擦阻力對角隙充填的影響
摩擦阻力對金屬充填型腔有重要影響。摩擦阻力越大金屬充填型腔越困難。如果上下端面的接觸摩擦系數μ1=0，坯料將整體均勻變形，側表面在壓縮過程中平行地向外擴大，角隙可很順利地充滿，這時所需的模壓力也最小；如