汽車變速器異形軸套冷擠壓工藝及模具設(shè)計(jì)

胡 冬，梅 靜，文仁興，朱 雄

（1.四川化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川瀘州 646099；2.重慶上方汽車配件有限責(zé)任公司，重慶 400060）

0 引言

異形軸套作為汽車變速器起連接作用的關(guān)鍵零部件，其成形質(zhì)量的優(yōu)劣對變速器使用性能及可靠性有著重要影響[1-2]。變速器異形軸套的傳統(tǒng)制造模式以切削加工為主，生產(chǎn)效率低下，同時(shí)造成大量材料浪費(fèi)[3]。隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)呈現(xiàn)多樣化，其中冷擠壓成形工藝可以節(jié)約材料、降低成本、有效提高生產(chǎn)效率、表面質(zhì)量好，獲得尺寸精度高、機(jī)械性能好的產(chǎn)品零件，已在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用[4-5]。因此，選擇汽車變速器異形軸套作為研究對象，采用冷擠壓技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)。

1 零件結(jié)構(gòu)及工藝性分析

1.1 結(jié)構(gòu)分析

某汽車變速器異形軸套，材料為10#鋼（圖1）。該軸套零件在變速器傳動(dòng)過程中起連接作用，對軸套的強(qiáng)度、韌性、表面硬度和抗疲勞性能有較高要求。該軸套零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，外形曲面是異形曲面，內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在階梯臺階及異形曲面，其中上端面外徑Φ40 mm、內(nèi)徑Φ26 mm，孔口以直徑為Φ29 mm錐形面過渡，形成階梯臺階；軸套內(nèi)部下端以花形曲面過渡，由Φ22 mm和R6.5 mm的圓弧連接而成，高度35 mm。軸套零件底部為花鍵型孔。

1.2 工藝性分析

圖1 異形軸套

軸套零件成形難度主要集中在內(nèi)部花形曲面、外部異形曲面、以及底部縮頸部分：①在冷擠壓過程中，由于軸套內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈臺階狀和花形曲面過渡，成形過程中材料流動(dòng)困難，模具應(yīng)力集中，載荷大；②外部異形曲面結(jié)構(gòu)對稱分布在零件的兩側(cè)，形狀復(fù)雜且與凹模摩擦較大，金屬難以流動(dòng)，產(chǎn)品表面質(zhì)量和零件外形精度難以保證。軸套零件縮頸部分過渡圓角大小是成形的關(guān)鍵，通過對軸套成形難點(diǎn)的分析，設(shè)計(jì)出合理的工藝方案是軸套零件成功擠壓的關(guān)鍵。軸套零件具體的工藝路線：下料→擠壓預(yù)制坯→預(yù)成形→終成形，并在成形工序前增加軟化處理等工序（圖2）。

圖2 軸套成形工藝方案

2 冷擠壓件圖制定

軸套冷擠壓件成形圖依據(jù)軸套零件圖制定，結(jié)合對異形軸套零件結(jié)構(gòu)及工藝性分析，采用冷擠壓進(jìn)行軸套零件的生產(chǎn)，需要制定出復(fù)合冷擠壓工藝要求的擠壓件圖。在設(shè)計(jì)冷擠壓件圖時(shí)，必須考慮以下問題[6-7]：①根據(jù)零件結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，確定工藝方案，采用哪種冷擠壓方法，分幾道工序完成；②根據(jù)擠壓成形特點(diǎn)，對零件進(jìn)行優(yōu)化，不需機(jī)加工部分應(yīng)直接按照零件圖給出尺寸及公差，機(jī)加工部分按擠壓件要求給出機(jī)加工余量及公差；③為了冷擠壓件能方便從模具取件，但凡凹槽、臺階等不能進(jìn)行冷擠壓的局部結(jié)構(gòu)都要進(jìn)行加放余料處理，冷擠壓后進(jìn)行機(jī)加工切削處理；④該軸套零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，考慮金屬在模腔里的流動(dòng)性，為防止產(chǎn)生廢品和減少模具在尖角處的應(yīng)力集中，在零件過渡處應(yīng)設(shè)置足夠大的圓角。

分析異形軸套零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工藝性，結(jié)合冷擠壓原則，設(shè)計(jì)出異形軸套的擠壓件（圖3）：①軸套冷擠壓件上端預(yù)留2 mm的機(jī)械加工余量，底部加上敷料并預(yù)留4 mm的機(jī)械加工余量；②底部為花鍵型孔，通過沖孔工藝沖掉底部連皮，底部連皮厚度為7 mm。外形曲面機(jī)械加工困難且加工成本較高，在設(shè)計(jì)擠壓件時(shí)，零件內(nèi)部花形曲面、錐形圓孔和外部異形曲面直接擠壓成形而不進(jìn)行機(jī)械加工，其形狀和尺寸與零件一致。

圖3 軸套冷擠壓件

3 毛坯制備及處理

3.1 毛坯尺寸及形狀

根據(jù)異形軸套的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，同時(shí)為了便于送料和坯料定位，采用圓柱形棒料作為冷擠壓成形時(shí)的坯料。根據(jù)體積成形體積不變的原理，經(jīng)計(jì)算其體積為V=42 407.5 mm3，則毛坯下料形狀尺寸為Φ40 mm×35 mm。

3.2 毛坯軟化處理

零件選用的材料為10#鋼，其初始狀態(tài)為正火態(tài)，在冷擠壓過程中，材料變形抗力較大、難于變形，一般不適合冷擠壓成形。由于軸套外部為異形結(jié)構(gòu)，內(nèi)部也是異形，若不經(jīng)退火處理而直接進(jìn)行冷擠壓，則成形極為困難，模具極易損壞。因此，在冷擠壓前必須對坯料進(jìn)行一定的軟化處理，降低材料變形抗力，提高材料塑性[7]。

3.3 毛坯的潤滑處理

由于異形軸套內(nèi)外結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在冷擠壓過程中金屬變形劇烈，變形量巨大，需要對坯料表面進(jìn)行良好的潤滑處理。本工藝采用磷化皂化工藝，具體流程如下：清除表面缺陷→去除氧化皮→冷水清洗→磷化皂化處理。

4 模具設(shè)計(jì)

異形軸套結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對冷擠壓成形模具的強(qiáng)度和壽命要求較高，其主要工藝方案采用：擠壓預(yù)制坯→預(yù)成形→終成形。其中預(yù)成形與終成形采用相同的模架結(jié)構(gòu)，工作部分零件根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際尺寸確定（圖4）。

4.1 凸模設(shè)計(jì)

由于軸套為多工序擠壓件，擠壓凸模需結(jié)構(gòu)簡單、便于加工制造（圖5）。凸模整體高度為155 mm，其中工作部分直徑Φ50 mm、高度15 mm，其余為導(dǎo)向部分，采用模口導(dǎo)向，與凹模滑動(dòng)間隙配合。其中軸套預(yù)制坯和終成形工序的凸模導(dǎo)向部分與夾緊部分的結(jié)構(gòu)尺寸相同，工作部分根據(jù)擠壓產(chǎn)品的內(nèi)形來確定。

圖4 模具結(jié)構(gòu)

圖5 凸模結(jié)構(gòu)

圖6 軸套組合凹模結(jié)構(gòu)

4.2 凹模設(shè)計(jì)

由于異形軸套的結(jié)構(gòu)及工藝性復(fù)雜，凹模是成功擠壓出軸套零件的關(guān)鍵。異形軸套凹模主要由3部分組成，分別是導(dǎo)向、成形和頂出部分。根據(jù)零件的復(fù)雜程度，考慮到凹模的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，異形軸套凹模采用預(yù)應(yīng)力3層式組合凹模，分別由預(yù)應(yīng)力凹模外圈、預(yù)應(yīng)力凹模內(nèi)圈和凹模芯組成，采用帶壓合角γ 的室溫冷壓合方法由外向內(nèi)進(jìn)行壓合，壓合角γ 為1°30′（圖6）。

5 結(jié)束語

冷擠壓技術(shù)是少無切削加工技術(shù)，相較切削加工有無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)踐表明，采用冷擠壓技術(shù)生產(chǎn)異形軸套可以明顯節(jié)約材料，提高產(chǎn)品性能，提高生產(chǎn)效率。