汽車齒輪冷擠壓工藝的設(shè)計(jì)與改進(jìn)

合肥市建元機(jī)械有限責(zé)任公司 （安徽 230001） 金林奎 王春亮 趙建國(guó)

1.概述說明

（1）齒輪冷擠壓鍛造 是一種少無切削加工工藝，材料利用率高，生產(chǎn)效率高，成本費(fèi)用較低，適宜于大批量生產(chǎn)等特點(diǎn)。從國(guó)外發(fā)達(dá)工業(yè)地區(qū)來看，齒輪精鍛生產(chǎn)工藝，已經(jīng)過一個(gè)從熱模鍛到冷擠壓的發(fā)展過程。目前我國(guó)正處在從熱模鍛向冷擠壓生產(chǎn)工藝發(fā)展階段。

（2）齒輪熱模鍛生產(chǎn)工藝 適用于精度要求較低的拖拉機(jī)、農(nóng)用機(jī)械等方面齒輪件。對(duì)于汽車齒輪，由于精度要求較高，需采用冷擠壓加工工藝。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)生產(chǎn)汽車齒輪，大都采用冷擠壓加工工藝，如日本、德國(guó)、美國(guó)等，而亞洲地區(qū)普遍采用熱模鍛及溫精整工藝生產(chǎn)汽車齒輪。

根據(jù)本公司現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)水平，并參考國(guó)內(nèi)外有關(guān)經(jīng)驗(yàn)，采用冷擠壓加工工藝生產(chǎn)汽車齒輪。首先產(chǎn)品精度能有效提高，其精度完全由模具來保證，其次能充分利用現(xiàn)有大部分生產(chǎn)設(shè)備及生產(chǎn)技術(shù)，并適合于大批量生產(chǎn)需要，且無需加熱，產(chǎn)品無飛邊，加工余量少，減少多道切削加工工序，因而節(jié)能節(jié)材效果進(jìn)一步提高。

2.生產(chǎn)過程

現(xiàn)有工藝流程：鋸床下料→車外圓、倒角→球化退火→檢驗(yàn)→磷皂化處理→冷擠壓→檢驗(yàn)→粗加工→熱處理→檢驗(yàn)→精加工→檢驗(yàn)→成品。以下只呈述冷擠壓加工流程及控制。

（1）鋸床下料 原材料準(zhǔn)備，必須經(jīng)過化學(xué)分析、金相檢驗(yàn)、力學(xué)性能檢測(cè)合格后，方可投入下料工序進(jìn)行鋸床下料。冷擠壓加工要求的下料精度較高，坯料重量誤差要求一般控制在1%左右。下料設(shè)備應(yīng)該采用高精度帶鋸床，或者采用高速圓盤鋸片進(jìn)行加工。鋸床鋸條厚度為0.90～1.00mm，鋸條或鋸片縫隙為1.00～2.00mm，下料尺寸精度為±0.15mm，端面與軸線垂直度為0.10mm。

（2）切削加工 為保證坯料表面質(zhì)量，坯料表面不得有氧化脫碳、裂紋、折疊、劃傷、拉筋等缺陷，因此必須對(duì)坯料外圓進(jìn)行切削加工。必要時(shí)采用無心磨床，生產(chǎn)效率高，更加能夠有效控制坯料的重量誤差，進(jìn)一步降低坯料的表面粗糙度值，表面粗糙度值應(yīng)控制在Ra=1.6μm下。磨削加工時(shí)，必須保證坯料表面質(zhì)量，特別注意避免坯料表面磨削燒傷。

（3）球化退火 坯料在冷擠壓前需進(jìn)行球化退火處理，降低坯料硬度，提高工件的冷加工變形能力，改善金相組織，為后期熱處理提供保障。球化退火目的是為了使原始的片狀珠光體中片狀碳化物發(fā)生球化，轉(zhuǎn)化為球狀的碳化物顆粒，形成鐵素體基體上彌散分布顆粒狀碳化物的球狀珠光體，顯著提高坯料冷加工變形能力。球化退火處理，通常采用井式爐改裝的半真空裝置，預(yù)抽真空，充氮?dú)獗ＷC爐內(nèi)壓力，同時(shí)滴加甲醇作為保護(hù)氣氛，防止工件氧化脫碳，影響冷擠壓加工產(chǎn)品的表面質(zhì)量。

（4）金相檢驗(yàn) 球化退火處理的產(chǎn)品，檢查項(xiàng)目包括球化組織、球化硬度、表面脫碳層及晶粒度的測(cè)量與評(píng)定。其中球化組織的好壞，直接影響坯料的冷擠壓效果，球化退火的溫度不足和溫度過高，都會(huì)殘留一部分片狀珠光體，使冷加工變形能力顯著下降，影響坯料的表面質(zhì)量，甚至造成表面冷擠壓開裂。球化硬度偏高，表面脫碳層超標(biāo)，晶粒粗大等缺陷同樣會(huì)影響坯料的表面質(zhì)量。

（5）表面處理 磷皂化是對(duì)坯料表面處理的一項(xiàng)重要措施，不僅能提高坯料防銹能力，且在磷化處理過程中，坯料表面形成微孔，能夠儲(chǔ)存一定量的潤(rùn)滑劑，提高冷擠壓的材料形變效果，增強(qiáng)坯料表面精度，有效地減少變形時(shí)的摩擦阻力和變形抗力，延長(zhǎng)模具壽命，提高冷擠鍛件的質(zhì)量。

（6）冷擠加工 是一種采用模鍛生產(chǎn)技術(shù)，進(jìn)行批量生產(chǎn)精密鍛件，最行之有效的方法。這就要求模具整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)約，生產(chǎn)成本低。冷擠壓工藝擠壓力和工作行程大，所需變形能量大，模具型腔必須精度高，導(dǎo)流性好。冷擠壓時(shí)，僅靠模具立柱和套管導(dǎo)向是不能滿足要求的，必須加強(qiáng)冷擠壓機(jī)床的床身和軸輪剛性。同時(shí)模具材料也應(yīng)具有較高強(qiáng)韌性，保證使用壽命長(zhǎng)。模具結(jié)構(gòu)互換性好，模板才能容易更換。工作時(shí)按不同零件或不同變形程度，所需能量進(jìn)行調(diào)節(jié)，以便經(jīng)濟(jì)合理地使用設(shè)備，同時(shí)也有利于提高模具壽命。冷擠壓機(jī)床設(shè)備，應(yīng)具備超載保險(xiǎn)安全防護(hù)裝置。

3.設(shè)備選型

（1）冷擠壓加工工藝 目前成形的方法主要有兩種。一種是選用模具法，另一種是選用設(shè)備法，兩種方法相比較，選用設(shè)備法生產(chǎn)的產(chǎn)品精度更高，模具的使用壽命更長(zhǎng)，整個(gè)過程中生產(chǎn)加工的成本更低。

選用模具法：在冷擠壓設(shè)備上，采用通用模架和可互換的模具鑲塊，構(gòu)成可拆分的模具組合結(jié)構(gòu)裝置。這種方式進(jìn)行冷擠壓生產(chǎn)加工，具有充分利用機(jī)床設(shè)備利用率，模具制造費(fèi)用不高，生產(chǎn)周期短及生產(chǎn)效率高等優(yōu)勢(shì)。但模具結(jié)構(gòu)一般較復(fù)雜，出模率可靠性較低，并且難以調(diào)整。同時(shí)機(jī)床設(shè)備能量與設(shè)備剛性，一般均不適合冷擠壓變形的需要，不適合大批量生產(chǎn)的要求。目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)冷擠壓件，小批量生產(chǎn)時(shí)仍沿用這種方式。

選用設(shè)備法：冷擠壓要求設(shè)備強(qiáng)度高及能量大，且要有雙向滑動(dòng)結(jié)構(gòu)，上下端面同時(shí)出料的裝置。此工藝的模具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，模具通用件較多，互換比較容易，出料可靠并且方便快捷，而且設(shè)備易于調(diào)整，模具壽命顯著提高。雙向滑動(dòng)的冷擠壓設(shè)備，分機(jī)械式和液壓式兩種形式，前者適合中小型件的冷擠壓加工，后者適合大型件的冷擠壓加工。但兩者對(duì)下料精度允許的誤差要求不一樣，機(jī)械式壓機(jī)對(duì)坯料重量誤差要求較高，模具設(shè)計(jì)不當(dāng)時(shí)，易損壞模具，而液壓式壓機(jī)可通過設(shè)定壓力噸位，能夠達(dá)到保護(hù)模具的作用。

（2）拉桿式雙動(dòng)壓力機(jī)冷擠壓 目前還很少有專用于冷擠壓加工，雙動(dòng)機(jī)械式和液壓式壓機(jī)，但一些工廠采用拉桿式雙動(dòng)壓力機(jī)作為冷擠壓設(shè)備。發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家均已采用專用雙動(dòng)冷擠壓設(shè)備生產(chǎn)汽車齒輪產(chǎn)品，這類設(shè)備的生產(chǎn)效率高，模具制造簡(jiǎn)便，有利于大批量加工。本公司生產(chǎn)汽車及摩托車?yán)鋽D壓配件，年保有生產(chǎn)量達(dá)300萬件，批量較大。冷擠壓加工工序是關(guān)鍵工序，需采用專用雙動(dòng)冷擠壓設(shè)備生產(chǎn)，有效地保障批量生產(chǎn)及產(chǎn)品質(zhì)量。

目前本公司使用的雙動(dòng)冷擠壓液壓機(jī)床，設(shè)備生產(chǎn)工藝及技術(shù)能力的主要技術(shù)參數(shù)為：①工作油缸。為了保證冷擠壓產(chǎn)品的表面精度和齒面密實(shí)，冷擠壓機(jī)床的使用壓力，可以在1～10MN范圍內(nèi)調(diào)整。機(jī)床設(shè)備的最大行程控制在300mm左右。模具整體的閉合高度為1000mm。根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍的要求，工作速度在100～300mm/s之間。為了提高生產(chǎn)率，冷擠壓機(jī)床在一個(gè)工作周期后，其回程速度達(dá)300mm/s。②擠壓油缸。在冷擠壓過程中，經(jīng)常有鍛件擠壓不密實(shí)的問題，這就需要保證擠壓油缸的工作壓力，應(yīng)使擠壓油缸的工作壓力維持在1～10MN范圍內(nèi)。拉桿的行程直接影響產(chǎn)品尺寸，拉桿的行程必須在90mm以上。根據(jù)設(shè)備的使用要求，油缸加壓速度應(yīng)維持在20～40mm/s之間。擠壓油缸的回程速度也不能過低，也應(yīng)達(dá)到100mm/s以上。③頂件油缸。冷擠壓機(jī)床的頂件油缸，是為了保證產(chǎn)品出料速度，上下頂件的預(yù)應(yīng)力，應(yīng)能分別達(dá)到300kN和1000kN。拉桿行程應(yīng)可以調(diào)整，根據(jù)工件尺寸，拉桿行程調(diào)節(jié)在5～90mm。頂件速度相對(duì)來說應(yīng)慢一些，正常保持在50mm/s最為合理。為提高生產(chǎn)效率，回程速度應(yīng)該快一些，也應(yīng)達(dá)到100mm/s以上。

該設(shè)備自動(dòng)化程度較高，能夠自動(dòng)編制計(jì)算機(jī)程序，并且安裝有各種數(shù)據(jù)顯示裝置，以便及時(shí)調(diào)整機(jī)床參數(shù)，使冷擠壓產(chǎn)品的質(zhì)量更加穩(wěn)定。根據(jù)產(chǎn)品零件的大小及形狀要求，預(yù)先設(shè)定壓力值。既能經(jīng)濟(jì)合理使用設(shè)備，又有利于提高模具壽命，另外還配有自動(dòng)分料、送料、取料裝置，極大地提高生產(chǎn)效率。

4.設(shè)計(jì)改造

（1）鍛坯產(chǎn)品精度，由熱精鍛8DC級(jí)以下提高到7DC級(jí)以上。齒面粗糙度值由Ra＝6.3μm降到Ra=1.6μm。鍛坯產(chǎn)品金相組織和力學(xué)性能，均得到很大程度的提高。晶粒度由原來5級(jí)提高到7級(jí)以上。同時(shí)避免了因熱模鍛冷速過快，形成粒狀貝氏體等非平衡組織帶來的組織遺傳，消除了組織粗大的隱患。工件表面杜絕了氧化脫碳現(xiàn)象，能夠使后期滲碳淬火處理的產(chǎn)品得到質(zhì)量保證。

（2）采用冷擠壓加工工藝，顯著減少制坯程序，可使模鍛工序由原有的4道程序，減少到現(xiàn)在2道程序，同時(shí)省去了粗切削加工工序。冷擠壓生產(chǎn)效率在原有基礎(chǔ)上提高了5倍以上，勞動(dòng)生產(chǎn)率得到大幅增長(zhǎng)。材料利用率進(jìn)一步提高，齒輪產(chǎn)品零件材料利用率，由原來熱模鍛工藝60%左右，提高到冷擠壓工藝80%以上。

（3）熱模鍛模具受急熱急冷交變熱應(yīng)力影響，極易造成熱疲勞開裂和磨損失效。毛坯氧化皮及變形時(shí)金屬?gòu)?qiáng)烈流動(dòng)，對(duì)熱模鍛模具的磨損非常嚴(yán)重，模具壽命較低，每只模具只能加工工件8000件左右，而冷擠壓過程中模具溫度保持在200℃以下，模具散熱基本平衡，模具壽命得到提高，每只模具均能加工工件達(dá)2萬件以上。

（4）熱精鍛產(chǎn)品的表面質(zhì)量及組織性能都比較低，只能用于拖拉機(jī)、農(nóng)用機(jī)械等產(chǎn)品，其附加值較低。冷擠壓產(chǎn)品由于精度得到大幅提高，適合汽車產(chǎn)品的高性能要求，其附加值也較高。按年產(chǎn)量300萬件計(jì)算，初步估算平均每只齒輪價(jià)格高10元以上，可增創(chuàng)利稅達(dá)3000多萬元以上。

（5）通過在專用冷擠壓設(shè)備，采用可拆分模具進(jìn)行冷擠壓加工，對(duì)汽車齒輪產(chǎn)品的改造設(shè)計(jì)，產(chǎn)品質(zhì)量明顯提高，經(jīng)濟(jì)效益顯著增長(zhǎng)，其高附加值帶來的直接經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^。

5.問題改進(jìn)

（1）熱模鍛生產(chǎn)中，一般采用熱軋棒料，其橫截面偏差的平均值為5%以上，而冷擠壓產(chǎn)品對(duì)毛坯精度要求高，同時(shí)對(duì)下料鋸床本身的精度、鋸切時(shí)棒料定位精度有很高要求。若嚴(yán)格滿足冷擠壓對(duì)毛坯精度的要求，必然導(dǎo)致鋸床下料難度的增加，以及加工生產(chǎn)成本的提高。因此要想節(jié)約成本，就必須從管理上下功夫，節(jié)能降耗，精益生產(chǎn)。

（2）冷擠壓加工毛坯的體積大于鍛件體積時(shí)，多余金屬分流問題，目前主要有兩種解決方式：一種是模具上方設(shè)分流腔，另一種是在鍛件高度方向允許有較大的偏差。但前者增加了模具的復(fù)雜性，后者不適合在曲軸壓力機(jī)上使用。這就需要毛坯精度一定要達(dá)到規(guī)定要求，同時(shí)還要求模具設(shè)計(jì)的合理性，冷擠壓機(jī)床性能的穩(wěn)定性，機(jī)床保證有足夠的壓力。

（3）冷鍛預(yù)成形工序的設(shè)計(jì)問題，大多數(shù)冷擠壓件，一般大都是采用一次成形，只有少數(shù)復(fù)雜零件，或受設(shè)備工作條件限制，需冷鍛預(yù)成形的工序。但事實(shí)上，冷擠壓次數(shù)和工序間半成品尺寸大小，是根據(jù)允許變形的擠壓變形程度確定，否則毛坯一次變形量太大，單位應(yīng)力太大，金屬流變引起的組織溫升，使鍛件整體溫度不均勻，影響產(chǎn)品精度和內(nèi)在質(zhì)量。工序設(shè)計(jì)同時(shí)還涉及到原始毛坯尺寸大小，使用設(shè)備性能，模具抗疲勞性能及壽命等方面。冷鍛預(yù)成形工序過多，生產(chǎn)效率下降，成本就會(huì)成倍增加。

（4）模具壽命與冷擠壓工藝制訂有關(guān)。同時(shí)與模具結(jié)構(gòu)及材料選用，潤(rùn)滑系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)等因素有直接關(guān)系。冷擠壓過程中，模具受到的擠壓應(yīng)力，導(dǎo)致模具型腔磨損及開裂的疲勞失效。模具壽命往往偏低，不利于降低生產(chǎn)成本及提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。為此，冷擠壓工藝要在生產(chǎn)中普及和推廣，首先要解決專用冷擠壓設(shè)備的性能問題，然后是模具材料處理及模具使用壽命問題。對(duì)于生產(chǎn)設(shè)備問題，應(yīng)采用專用液壓機(jī)，由于液壓機(jī)床的穩(wěn)定性，使模具壽命顯著提高。

（5）目前冷擠壓用國(guó)產(chǎn)系列液壓機(jī)上，需要通過使用一種簡(jiǎn)易的成本不高的通用模具輔助裝置，達(dá)到專用雙動(dòng)液壓機(jī)的效果。鍛壓設(shè)備制造廠家和廣大工程技術(shù)人員，都在進(jìn)一步探索和研究。同時(shí)提高模具組織性能及使用壽命，除了在冷擠壓工藝及模具設(shè)計(jì)上充分考慮外，模具鋼材料性能的選用和處理，以及新型模具鋼材料的研制，也有待于我國(guó)冶金行業(yè)有關(guān)技術(shù)部門的進(jìn)一步探索和發(fā)展。