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小齿轮件的成形工艺及模具设计

日期:2018年4月29日 14:05

针对小齿轮件(既有齿轮又有花键的小齿轮件)的花键和齿轮成形问题进行工艺分析。为了节约成本和使成形顺利进行,采用冷挤压工艺方案,并进行花键正挤和齿轮反挤的挤压组合模具设计。研究表明,小齿轮件采用冷挤压工艺方案是可行的,模具设计合理,可以获得准确的花键、齿轮齿形和较好的表面质量,节约材料,缩短辅助时间,降低生产成本。

    1 引言
    
    冷挤压技术是一种高精、高效、优质低耗的先进生产工艺技术,是零件成形加工的主要方法之一。而齿轮和花键形状复杂,尺寸精度、表面质量及综合机械性能等要求均很高,而且常温下金属的变形能力低、流动性差,这些原因导致锻造载荷陡增、齿形型腔角隅充填能力锐减,模具处于极限加工状态,带来易磨损、弹性变形严重、寿命低等弊病。如果采用流线型的挤压过渡型腔,能改善金属流动的均匀性,降低成形压力,提高齿轮和花键挤压成形的精度。
    
    2 工艺分析
    
    2.1成形工艺设计
    
    图1为小齿轮件的零件图,材料为40Cr,零件一端为齿轮,另一端为花键。齿轮参数为:齿数Z=8,模数m=1.5,齿形为渐开线,压力角口=20°,齿顶圆直径da=13ram,齿根圆直径df=11 mm,精度等级为IT6~IT7。

    根据对零件的分析得出小齿轮件的成形工艺方案为:精剪下料一挤压小端一正挤花键-镦粗一反挤齿轮、齿轮孔成形一挤台阶一齿轮部分精整成形,如图2所示。

    2.2坯料形状和尺寸的确定
    
    坯料形状和尺寸对冷挤压件的充填性能和模具寿命影响很大。根据小齿轮件的形状特点,同时为了便于送料以及有利于坯料的定位,故选用圆柱形坯料。毛坯的体积是根据变形前后的体积不变定律计算,经计算确定毛坯直径为12 mm,长度为27mm。
    
    2.3坯料的软化处理
    
    小齿轮件的材料为40Cr,其供应状态强度高、变形抗力大、塑性较差且有加工硬化存在。加工前要对坯料进行充分的软化处理,降低变形抗力,提高塑性,以满足冷挤压成形工艺。退火处理过程如图3所示。经退火处理后,材料硬度达到150~163HBS。

    2.4坯料的表面及润滑处理
    
    小齿轮件的冷挤压成形,单位挤压力很大,金属流动剧烈,变形量较大,坯料表面要求良好的表面处理和润滑处理。本工艺采用磷化一皂化处理。

    3 模具结构设计及分析
    
    小齿轮件的花键可以采用毛坯正挤压一次成形,其模具结构如图4所示。其中凹模是非常关键的部分,决定了花键的成形质量。为了加强凹模的强度,延长模具的使用寿命,采用二层组合凹模,如图5所示,即下凹模(材料为Crl2MoV,硬度为59~62 HRC)和凹模套(材料为40Cr,硬度为38~40 HRC)热压合成二层结构。由于凹模的齿部精度和表面粗糙度要求较高,故采用慢走丝线切割加工齿部,然后再进行人工抛光,上凹模(材料为45钢,硬度为42一45 HRC)的内孔起定位作用。经过分析可知:在花键成形模具的参数中,入模锥角为40°~50°时,成形力最小;工作带长度在2~4 mm范围内选取合适,如工作带长度太长,材料流动过程中摩擦阻力增大,但如工作带太短,又会造成金属流动不均匀等。凹模入口的收121部分应采用适当的圆角过渡,而键齿部分的圆角从上往下应均匀过渡。

    小齿轮件的齿形采用的是反挤压成形,最后对齿形进行精整成形,其模具结构见图6。反挤齿形的凸凹模组件如图7所示,由于坯件上入模的端部有45°倒角,为人模方便,在凸凹模的人模口采用90°的入模锥度;又由于该工序是反挤齿形和挤齿轮孔同时进行,为了保证挤压强度,挤齿工作带长度采用全齿长,并圆角过渡,而齿形的圆角从下往上应由大到小的修磨,最后达到零件图上的齿形要求,这样才能使挤出的齿形更充盈,表面粗糙度达到Ra0.8μm。

    4 结论
    
    研究表明,采用冷挤压加工小齿轮件,只要工艺方案和模具设计合理,可以成功地挤出花键键齿和齿轮齿形,提高工件的表面质量,节约材料,缩短辅助时间,从而降低生产成本。冷挤压成形该形式的小齿轮是目前较为理想的一种成形方法。

 

针对小齿轮件(既有齿轮又有花键的小齿轮件)的花键和齿轮成形问题进行工艺分析。为了节约成本和使成形顺利进行,采用冷挤压工艺方案,并进行花键正挤和齿轮反挤的挤压组合模具设计。研究表明,小齿轮件采用冷挤压工艺方案是可行的,模具设计合理,可以获得准确的花键、齿轮齿形和较好的表面质量,节约材料,缩短辅助时间,降低生产成本。

    1 引言
    
    冷挤压技术是一种高精、高效、优质低耗的先进生产工艺技术,是零件成形加工的主要方法之一。而齿轮和花键形状复杂,尺寸精度、表面质量及综合机械性能等要求均很高,而且常温下金属的变形能力低、流动性差,这些原因导致锻造载荷陡增、齿形型腔角隅充填能力锐减,模具处于极限加工状态,带来易磨损、弹性变形严重、寿命低等弊病。如果采用流线型的挤压过渡型腔,能改善金属流动的均匀性,降低成形压力,提高齿轮和花键挤压成形的精度。
    
    2 工艺分析
    
    2.1成形工艺设计
    
    图1为小齿轮件的零件图,材料为40Cr,零件一端为齿轮,另一端为花键。齿轮参数为:齿数Z=8,模数m=1.5,齿形为渐开线,压力角口=20°,齿顶圆直径da=13ram,齿根圆直径df=11 mm,精度等级为IT6~IT7。

    根据对零件的分析得出小齿轮件的成形工艺方案为:精剪下料一挤压小端一正挤花键-镦粗一反挤齿轮、齿轮孔成形一挤台阶一齿轮部分精整成形,如图2所示。

    2.2坯料形状和尺寸的确定
    
    坯料形状和尺寸对冷挤压件的充填性能和模具寿命影响很大。根据小齿轮件的形状特点,同时为了便于送料以及有利于坯料的定位,故选用圆柱形坯料。毛坯的体积是根据变形前后的体积不变定律计算,经计算确定毛坯直径为12 mm,长度为27mm。
    
    2.3坯料的软化处理
    
    小齿轮件的材料为40Cr,其供应状态强度高、变形抗力大、塑性较差且有加工硬化存在。加工前要对坯料进行充分的软化处理,降低变形抗力,提高塑性,以满足冷挤压成形工艺。退火处理过程如图3所示。经退火处理后,材料硬度达到150~163HBS。

    2.4坯料的表面及润滑处理
    
    小齿轮件的冷挤压成形,单位挤压力很大,金属流动剧烈,变形量较大,坯料表面要求良好的表面处理和润滑处理。本工艺采用磷化一皂化处理。

    3 模具结构设计及分析
    
    小齿轮件的花键可以采用毛坯正挤压一次成形,其模具结构如图4所示。其中凹模是非常关键的部分,决定了花键的成形质量。为了加强凹模的强度,延长模具的使用寿命,采用二层组合凹模,如图5所示,即下凹模(材料为Crl2MoV,硬度为59~62 HRC)和凹模套(材料为40Cr,硬度为38~40 HRC)热压合成二层结构。由于凹模的齿部精度和表面粗糙度要求较高,故采用慢走丝线切割加工齿部,然后再进行人工抛光,上凹模(材料为45钢,硬度为42一45 HRC)的内孔起定位作用。经过分析可知:在花键成形模具的参数中,入模锥角为40°~50°时,成形力最小;工作带长度在2~4 mm范围内选取合适,如工作带长度太长,材料流动过程中摩擦阻力增大,但如工作带太短,又会造成金属流动不均匀等。凹模入口的收121部分应采用适当的圆角过渡,而键齿部分的圆角从上往下应均匀过渡。

    小齿轮件的齿形采用的是反挤压成形,最后对齿形进行精整成形,其模具结构见图6。反挤齿形的凸凹模组件如图7所示,由于坯件上入模的端部有45°倒角,为人模方便,在凸凹模的人模口采用90°的入模锥度;又由于该工序是反挤齿形和挤齿轮孔同时进行,为了保证挤压强度,挤齿工作带长度采用全齿长,并圆角过渡,而齿形的圆角从下往上应由大到小的修磨,最后达到零件图上的齿形要求,这样才能使挤出的齿形更充盈,表面粗糙度达到Ra0.8μm。

    4 结论
    
    研究表明,采用冷挤压加工小齿轮件,只要工艺方案和模具设计合理,可以成功地挤出花键键齿和齿轮齿形,提高工件的表面质量,节约材料,缩短辅助时间,从而降低生产成本。冷挤压成形该形式的小齿轮是目前较为理想的一种成形方法。

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