半轴齿轮新工艺及新型模具设计

第３５卷第０３期文章编号：１００４—２５３９（２０１１１０３—００６７—０３半轴齿轮新工艺及新型模具设计６７半轴齿轮新工艺及新型模具设计于金伟（潍坊学院机电工程学院．山东潍坊２６１０６１）摘要针对汽车差速器半轴齿轮原挤压模具结构存在的问题，改进了挤压工艺，设计了新型预成型挤压模和精压模。工艺试验表明，新工艺可显著降低挤压变形力、材料消耗和生产成本，提高模具寿命和生产效率。关键词半轴齿轮挤压工艺模具结构№ｗ瞰枷鹤ａｎｄＤｅｓｉ班ｏｆＮ撕旅ｆｏｒＹｕＪ西ｗｅｉＩＩａｌｆ矧ｅ汹（Ｓｃ｝浏ｏｆＭ∞梳浏８ｎｄ日∞嘲ｉｃ啦豇嗍ｉＩｌｇ，Ｗｅｉ钿ｇｌⅡｌｉｖ商ｔｙ。Ｗｅｉ细ｇ２６１０６ｌ，ｏｌｉｌｌａ）ｄｉ鹤ｆｏｒｐｒｅｃｉｓｉ伽既ｔｎｌｓｉｏｎｏｆｈａｌｆａｄｅｇｅａｒｏｆ叫ｔｏ－ｎｅｗＡｂｓ咖ｃｔＡｄｉ｛姒酗ｉ∞ｉｓＩＩｌａｄｅ∞ｔｌｌｅｐＩＤｂｋ啮ｏｆ耐西ｎａｌｍＤｂｉｌｅｄｉ珏．ｅｒｅｎｔｉａｌ，ｔｈｅｅ】【ｌｍｓｉｏｎｔｅｃｈ邶１０彭ｉｓｉｒＩｌｐｍｖｅｄ，觚ｄｔ１１ｅｄｅｓｉ驴ｅｄ。‰ｐｌｏｏ嘲敛ｐｅｒｉ腿ｎｔ蜘ｔ｝ｌａｔ硒出山ｅＩ删ｔｅｃｈｎｏｌｏ彰，ｔｌｌｅｌｂｒｇｉｎｇ锄ｄ础ｃｔｉ∞咖ｂｅｃｎ琵ｌｓｅｄ．ｔｙｐｅ０ｆｂ１０ｃｋｅｒｄｉｅ锄ｄｆ’ｍｉｓｈ麟臼岫ｉ∞ｄｉｅｉｓｄｅｆ硇ｆｎｉｎｇ脚踟ｒｄｓ０引言Ｈａｌｆ北秽‰ｉｏｎ蝴陇蜘咖ｅｖｉｄｅｎｄｙｄｅｃｍａｓｅｄ，池ｌｅｔｈｅ叩ｅ蒯ｎｇｌｉｆｂ０ｆｔ｝ｌｅｄｉｅ粕ｄｔｌｌｅｆｏ黜，ｔｈｅｅｏｓｔｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ娟ｃｉ伽Ｉｃｙｏｆ删删ａＩｅｉＩＩ—精度有差异，故图略。原预成型挤压模的齿模在下模，半轴凹模在上模，上下模锁扣导向。这种模具有诸多缺点，例如挤压件车削余量大、钢材利用率、模具寿命和生产效率低等，其原因有以下几方面：随着机械工业的迅速发展，挤压件的应用愈来愈广泛，对挤压件不仅要求具有较高的精度，而且更迫切的是要解决复杂的形状，同时还要不断提高挤压件的质量，减少原材料的消耗及机械加工工时，提高模具寿命、提高生产率及降低能耗，促使降低挤压件成本。半轴齿轮是汽车差速器的重要零件，需求量很大，采用新工艺，大大降低了制造成本，提高了工作效率，同时该方法能够使金属材料产生挤压强化，提高了材料的机械性能，具有广阔的市场前景。１原挤压锻模存在的问题１．１挤压件工艺分析图ｌ是某汽车差速器半轴齿轮零件示意图，半轴图ｌ零件不图（１）预成型挤压时难以准确迅速地放置坯料。原模具的齿模在下模，坯料放在顶料芯轴上，因顶料芯轴上平面内的模具齿顶圆直径大于坯料直径，如图３所示，坯料靠人工目测定位，难以准确迅速地放置坯料。尽管操作者力图放正，许多坯料仍是在偏置状态下锻造的（偏置量为艿），影响生产效率和锻件质量（挤压件上下错位），而且为保证偏置坯料成形的挤压件也不“缺肉”，只好加大料块，同时无法实现无飞边粗挤压。齿轮原挤压工艺为：坯料加热一预成型挤压一切飞边一去氧化皮一加热一精压一切飞边一表面清理一冷压整形一切削内孔、半轴和大端面一拉削内孔花键一热处理一喷丸。原半轴齿轮预成型挤压模如图２所示。原精压模结构形式与预成型挤压模相同，只是模腔尺寸及齿槽万方数据机械传动２０１１年（２）绝大多数齿轮精挤压设备是螺旋压力机，螺旋压力机和原挤压模均无上顶料装置，因此上模（半轴模）留有较大的拔模斜度（７０．１００），致使挤压件半轴金属辅料过多，车削余量过大，增加了钢材消耗和车削成本，导致钢材利用率低和车削生产效率低，齿轮半轴较长时问题尤为突出。芈轴模压环半轴模齿模压龋齿模项科芯轴上顶杆图２原预成型挤压模模具结构示意图（３）齿模温升高，导致齿模退火或热疲劳早期失效。粗挤压变形结束时，上模随滑块上行，挤压件留在下模（齿模），由于人工操作的顶料系统将锻件顶出齿模图３坯料在原挤压模上偏置需要一定的时间，即热挤压件与齿模接触时间较长，致使齿模温升较高，从而易于引起齿模退火，硬度降低，导致齿模塑性变形早期失效。同时因齿模表面温度过高，而内层金属尚处于较低的温度，表层热膨胀因受内层约束而产生压应力；锻件出模后，由于向齿模表面喷洒冷却润滑剂，使齿模表面急冷而收缩，但受到内层金属约束，表层又产生拉应力。齿模表面如此骤冷骤热，产生循环热应力，使齿模表面产生裂纹，导致齿模热疲劳早期失效。（４）预成型挤压模采用锁扣导向易于损伤和早期磨损，导致上、下模错移和齿模塑性变形。受压力机滑块行程和操作空间限制，模具锁扣导向长度较短，而预成型挤压时，由于坯料变形量大，锁扣导向长度小于滑块粗挤压行程。由于锁扣导入之前，金属变形已经开始，金属的不均匀变形产生很大的横向力作用于上、下模，锁扣不是自由导人，而是在很大横向力约束下导入的，使锁扣导入面被磕伤和很快磨损失效，导致上下模错移，不仅造成挤压件上下错位，易出废品，而且造成挤压件飞边厚度一侧厚，另一侧薄，当某处飞边很薄时，继续变薄十分困难，该处飞边作用在模具齿大端面上的单位压力极大，加之模具因温升过高引起退火而硬度降低等因素，致使齿模塑性变形…。万方数据２工艺流程和挤压件的改进为了解决上述问题，研制了节材、高效、高寿命的半轴齿轮新型挤压模，并制订了挤压新工艺，其工艺流程为：坯料少无氧化加热一预成型挤压一精挤压一切飞边一表面清理一冷压整形一切削内孔、半轴和大端面一拉削内孔花键～热处理一喷丸。与原工艺相比，省去了预成型挤压后的切边、去氧化皮、精挤压前的加热等工序，降低了生产成本【２Ｉ。为了实现无飞边预成型挤压（或基本无飞边），以便紧接着进行精压工序，预成型挤压件大端齿顶设计为圆角形，预成型挤压件大端齿顶圆直径是由模腔和坯料体积控制自然形成的，无确定数值要求。精压时，精压模腔完全充满，挤压件有小量飞边。３新型预成型挤压模新型预成型挤压模如图４所示，用在４０００ｋＮ螺旋压力机上，半轴模在下模，齿模在上模，采用导柱和导套导向。该模具有以下特点：１．牛轴模２．半轴模套３．出件器４．项杆５．下模座６．压力板７．托板８．顶杆９．压力板ｌＯ．支撑环１１．齿模套１２．暗螺母１３．曲模１４．冲头１５．垫片１６．压力板１７．上模座图４新璎预成璎挤压模具结构爪惹图（１）坯料定位准确迅速。由于半轴模在下模，且凹模为圆筒形，所以只要坯料直径适当（热坯料在凹模内，单边间隙０．５—０．８—ｍ），坯料在凹模中自然准确定位，即坯料依靠其直径与凹模配合自然定位，而不是依靠人工目测，不会偏置，所以无需以增大飞边为代价来保证挤压件丰满，这样可减小坯料重量，节约钢材。（２）上、下模导向准确，无错移。由于采用导柱导套导向，导向行程足够长，上模与坯料接触之前，无横向力干涉，导柱与导套已自由导入，避免了导人面之间的损伤和早期磨损失效，确保上、下模导向准确，不发生错移。（３）齿模与热挤压件接触时间短，模具温升小，模具寿命高。上齿模（上模）锻击挤压件成形后立即随滑块上行，由于齿模对挤压件的摩擦力小于半轴模对挤压件的摩擦力，挤压件在锻击完成后的瞬间即脱离上行的齿模，齿模与挤压件接触时间极短，仅为原工艺的ｌ／６，大大减小了齿模温升，从而避免了齿模退火和热第３５卷第∞期半轴齿轮新工艺及新型模具设计疲劳早期失效。（４）在上、下模座上安装暗螺母１２，避免因模座硬度低和螺栓的频繁拆装导致模座螺纹磨损早期失效。为便于模座的沉孔加工和暗螺母磨损后更换，模座的沉孔为阶梯圆柱形，大、小沉孔半径之差（阶梯宽度）为５—７咖。暗螺母１２与模座间隙配合（矾ｏ／ｄｌｏ），在端面两者配合的圆周上，点焊１点即可，既能保证旋紧螺栓时暗螺母不转动，又能在更换螺母时很容易将其顶出。（５）增强了下模压力板承载能力。由于增大了出件器３的底面直径，在出件器３和压力板６之间增加了一个压力板９，减小了顶杆４的直径（由原来的２０咖减小为１２—硼），并且压力板９的强度（材料和热处理硬度）与出件器相当，比压力板６高。从而使出件器的压力逐级分散，避免了下垫板断裂或变形，因此也避免了下模座和压力机工作台垫板塑性变形。（６）模具成本低。模具的使用成本主要在于易损件齿模１３的成本。预成型挤压模中增加垫片１５不仅减小了易损件齿模１３的体积，更重要的是为了使预成型挤压模的齿模与精压模的齿模尺寸相同，从而能利用磨损失效后的精挤压模齿模作为预成型挤压模齿模，无需专门制造预成型挤压模挤压齿模，即预成型挤压模挤压齿模无成本。∞上模座１９压力板１８警杆１７爨形弹簧ｌ压力板，２冲头一１６顶杆３牛轴模一１５出件器４半轴模套一１４齿模５齿模套一６垫环．防一７顶杆８下模重９托板ｌｏ顶杆＼＼１３暗螺母ｌｌ压力扳１２压力板图５新型精压模具结构示意图４新型精压模新型精压模结构如图５所示，根据预成型挤压件以齿定位的要求，齿模在下模。由于精压温度（８００℃以下）比预成型挤压温度（１０５０。１１５０℃）低得多，所以只要合理冷却，不会出现原预成型挤压模那样的齿模温升过高问题。上模装有由弹性元件、托板、顶料杆和推件器组成的顶料装置。该模具有以下特点：（１）导向精度高，操作方便。因为齿轮精压变形量小，滑块精压行程（挤压件精压变形过程中的滑块行程，一般为２ｌ姗）远小于锁扣导向长度（一般为１５．万方数据２０ｍｍ），所以锁扣导向完全满足精压要求，而不会产生锁扣磕伤和早期磨损。为了操作方便，将索扣的凹入端设在上模。考虑到下模温升高于上模，使索扣间隙变小，为了既保证导向精度（上、下模对正），又保证上、下模顺利脱开，故采用锥面锁扣。（２）上模装有由导杆１８、碟型弹簧１７、顶杆１６组成的上顶料装置，半轴模有２０的拔模斜度。锻造结束，上模回程时，碟形弹簧１７的张力使挤压件留在下模内，然后由下顶料装置顶出。由于半轴凹模的拔模斜度可以很小（２０），减小了挤压件半轴的金属敷料，提高了钢材利用率，减少了切削余量。（３）上模压力板承载能力强，使齿轮锻件得以充分精压，精压的齿轮精度高。（４）齿模成本低。精挤压模齿模要求精度高材料好，是需定期更换的易损件。新型精挤压模齿模不仅体积小（节省模具钢），而且由于其结构尺寸与预成型挤压模挤压齿模相同，磨损失效后，可作为预成型挤压模锻齿模继续使用，提高了其使用价值。５挤压工艺试验结果对按新工艺挤压后的齿轮毛坯进行检验，结果是齿轮表面质量良好，齿轮齿形完全充满。挤压后齿轮毛坯精度ｒｒ９级，齿形误差、齿圈径向跳动、周节累积误差等变化幅度小，挤压后的齿轮轮齿稍经加工就可以达到使用精度要求。挤压模具在试挤１００件样品后没有发现任何损伤的现象。６结束语半轴齿轮精锻新工艺和新型模具克服了原来存在的问题，技术先进实用，经济效益显著。新型模具与原模具相比，材料利用率提高１２％，预锻模的齿模寿命提高３倍以上，还大大减少了设备占用和人工费用。参考文献［１］李更新．杨永顺．直齿圆柱齿轮温挤压成形的数值模拟［Ｊ］．热加工工艺，２００４（７）：４｛９—５０．［２］田福祥，孙宗强．牙嵌齿轮最小精锻成形力的上限解及锻坯最佳设计［Ｊ］．青岛建筑【程学院学报。２００４（３）：ｌ一５．收稿日期：加１０嘴１４基金项目：山东省星火计划项目（２０ｌＯⅪ炳∞）潍坊市科学技术发展计划项目（∞１００１０４４）山东省国际科技合作计划项目（２０ｌＯｌ３）作者简介：于金伟