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工程硕士学位论文异形孔台阶齿轮成形模设计及寿命研究 摘要 洗衣机离合器是洗衣机中的关键部件，也是洗衣机成本重要组成部分，将离合器 中的所有齿轮的制造工艺由切削加工改为冷挤压加工是降低洗衣机成本的重要措施 之一。随着制造技术的发展，新材料的应用，冷挤压技术开始应用于齿轮生产。 本文分析了洗衣机离合器工作原理，在分析了冷挤压在国内外研究概况、发展趋 势及应用的基础上，对异形孔台阶齿轮( 离合器从动齿轮) 冷挤压工艺、挤压模具结 构及影响模具寿命因素进行了理论分析和计算，提出了挤压生产从动齿轮方法，优化 设计了挤压模具结构，并运用u g 软件绘制了挤压模三维实体造型效果图和二维工程 图。通过实际生产检证，该挤压模结构合理，达到了课题所提要求 研究结果显示，采取正确的挤压工艺，毛坯处理工艺，合理选取凸模、凹模材料， 采用强化材料性能的热理处工艺，优化凸模、凹模结构参数，挤压模的寿命一定有较 大的提高。 冷挤压工艺是一先进生产工艺，但制约冷挤压技术发展的因素相对较多，我们应 运用现代技术手段，从模具材料、熟处理工艺、挤压工艺、润滑方法等方面入手，研 究影响挤压模具寿命的因素，使挤压模具的寿命产生质的提高，从而使挤压工艺在我 国制造业应用范围不断扩大 关键词：离合器、齿轮、冷挤压、冷挤压模具、模具寿命 工程硕士学位论文异形孔台阶齿轮威形模设计及寿命研究 a b s t r a c t w a s h e rc l u t c hi sn o to n l yak e yp a r ti nw a s h e rb u ta l s oai m p o r t a n tc o m p o s i n go f w a s h e rc o s t o n eo ft h ei m p o r t a n ts t e p st h a tr e d u c et h ew a s h e rc o s ti st h a tp r o d u c i n g t e c h n i q u e so fa l lg e a r si nt h ew a s h e rc l u t e l ai sm a d et h ec o l de x t r u s i o ni n s t e a do ft h e c i i t t i n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to f m a k i n gt e c h n i q u e sa n dt h ea p p l i c a t i o n so f n e wm a t e r i a l , t h ee x t r u s i o nt e e l m i q u e sa r ca p p l i e dt h em a n u f a c t u r eo f g e a r s t h ep r i n c i p l eo fw a s h e rc l u t c hh a sb e e na n a l y z e di nt h i sp a p e r a f e ra n a l y z i n gt h e r e s e a r c ha n dt h ed e v e l o p m e n ta n dt h ea p p l i c a t i o no f t h ec o l de x t r u s i o ni nt h ew o r l d , i th a s b e e na n a l y z e da n dc a l c u l a t e di nt h et h e o r yf o rt h ec o l de x t r u s i o nt e e l a n i q u e so ft h es t e p g e a rw i t hs t r a n g eh o l e ( t h ed r i v e ng e a ro ft h ec l u t c h ) ，t h es t r u c t u r eo ft h ec o l de x l r u s i o n m o u l d , t h ef a c t o r so fi m p a c t i n g0 1 1t h es e r v i c el i f eo ft h ec o l de x t r u s i o nd i e n 圮c o l d e x t r u s i o nt e c h n i q u e sf o rt h ed r i v e ng e a rh a v eb e e np u t t e df o r w a r d 1 1 璩s t r u c t u r eo ft h e c o l de x l z u s i o nd i eh a sb e e no p t i m i z e da n dd e s i g n e d t h et l l r e e - d i m e n s i o n a ls o l i dm o d e l a n dp l a nd r a w i n gf o rt h ec o l de x t r u s i o nd i eh a v eb e e nc o m p l e t e dw i t hu qt h r o u g ht h e e x p e r i m e n to f t h ep r a c t i c a lp r o d u c t i o n , t h es t r u c t u r eo f t h ec o l de x t r u s i o nd i ei sr e a s o n a b l e a n dh a sa c h i e v e daq u e s t i o nf o rd i s c u s s i o n 1 1 地r e s u l to f r e s e a r c ha r es h o w e dt h a tt h es e r v i c el i r eo f t h ec o l de x t r u s i o nd i ew o u l d b e e ne n h a n c e d 谢mt h ep r o p e rt e c h n i q u e sf o rt h ec o l de x t r u s i o na n df o rt h ed e a l i n g r o u g h c a s t , w i t ht h et e c h n i q u e so ft h es t r e n g t h e n i n gr o u g h e n i n gt r e a t m e n t , 、j l ，i t h t h e o p t i m i z i n gp a r a m e t e ro f t h ep u n c hd i ea n dc a v i t yd i e t h et e c h n i q u eo ft h ec o l de x t r u s i o ni saa d v a n c e dp r o d u e i r t gt e e t m i q u e i ti sv e r y c o m p l i c a t e dt h a tt h ef a c t o rr e s t r i c t st l 璩d e v e l o p m e n to f t h et e e h a i q u eo f t h ec o l de x t r u s i o n a n dt h ee n h a n c e m e n to ft h es e r v i c el i f eo ft h ec o l de x l x u s i o nm o u l d w es h o u l dr e s e a r c h t h ef a c t o rf o rt h e $ e l v i c ：el i f eo f t h ec o l de x t r u s i o nd i ew i t hm o d e mm e a n sf r o mt h ea s p e c t s o f t h ed i em a t e r i a l 、t h em a t e r i a lh o tt r e a t m e n t 、t h et e c h n i q u eo f t h ec o l de x t r u s i o n 、t h e l u b r i c a t e dw a ye r e i ts h o u l dv e r ye n h a n c et h es e r v i c el i f eo ft h ec o l de x t r u s i o nm o u l d i t s h o u l de x t e n dt h ea p p l y i n ga r e ao f t h et e c h n i q u eo f t h ec o l de x t r u s i o ni nt h em a n u f a c t u r i n g o f o u rc o u n t r y 1 i 庇 k e yw o r d s ： c l u t c h 、s t e e lg e a r 、c o l de x t r u s i o n 、o l de x l z u s i o nd i e 、d i es e r v i c e 声明尸明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 己在论文中作了明确的说明。 研究生虢组p 辟细亏日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 彦砒年够月以日 工程硕士学位论文 异形孔台阶齿轮成形模设计及寿命研究 1 绪论 1 1 课题背景及意义 随着我国的改革和开放，市场竞争越来越激烈，特别在白色家电行业。企业为了 获得市场应有份额，采用了降价售销的策略。因此，市场经济对家电制造成本控制提 出了新的要求与挑战，企业为了生存，在保证产品质量的前提下，必须降低产品的成 本。 洗衣机离合器是洗衣机中的关键部件，也是洗衣机成本重要组成部分，约占洗衣 机成本的七分之一。洗衣机离合器中的齿轮及齿轮轴加工一般采用车、铣、滚、拉生 产工艺，产品生产周期长，效率低，且产品质量不稳定。为提高洗衣机离合器的质量， 降低生产成本，企业特提出项目攻关：将离合器中的所有齿轮( 包括齿轮轴) 的制造 工艺由切削加工改为冷挤压加工。 随着能源危机的日趋严重，人们对环境质量将更加关注，加之市场竞争日益加剧， 促使我们的生产向商效、高质、精化、节能，节材方向发展绿色制造。随着制造 技术的发展，尤其是特种加工线切割技术的发展，以及新材料的应用，冷挤压技 术开始应用于齿轮生产。由于冷挤压的工作条件恶历，使冷挤压模具的寿命比其它模 具寿命短，因而限制了冷压工艺的应用。洗衣机从动齿轮技术要求是洗衣机离合器中 要求最高，形状复杂的工件，采用一次挤压成形，技术难点大。在此工程背景下产生 了本课题。 冷挤压( 锻) 工艺是一种精密塑性成形技术、是一种高精、高效、优质低耗的先 进生产工艺技术，具有切削加工无可比拟的优点，如制品的机械性能好，生产率高和 材料利用率高，特别适合于大批量生产，而且可以作为最终产品的制造方法 ( n e t - s h a p ef o r m i n g ) ，在交通运输工具、航空航天和和家用电器等行业具有广泛 的应用圆与常规模锻工艺相比，冷挤压可以节材( 3 0 5 ，节能4 0 9 6 8 0 ，而且 能够提高工件质量，改善作业环境。冷挤压加工属于先进制造，它具有： ( 1 ) 节约原材料。冷挤压加工是利用金属的塑性变形制成所需形状的零件，因而 能大量减少切削加工，提高材料的利用率。冷挤压材料的利用率一般可达到8 0 上。 ( 2 ) 提高劳动生产率。用冷挤压工艺代替切削加工制造机械零件，能使生产率提 高几倍、几十倍、甚至上百倍。 ( 3 ) 制件可获得理想的表面粗糙度和尺寸精度。冷挤压零件的尺寸精度可达 i t t i t 8 级，表面粗糙度可达r a o 2 1 6 。因此，用冷挤压加工的零件一般很少再 切削加工 工程硕士学位论文异形孔台阶齿轮成形模设计及寿命研究 ( 4 ) 提高零件的力学性能。冷挤压后金属的冷加工硬化，以及在零件内部形成 合理的纤维流线分布，使零件的强度远高于原材料的强度。此外，合理的冷挤压工艺 可使零件表面形成压应力而提高疲劳强度。 ( 5 ) 可加工形状复杂、难以切削加工的零件。 ( 6 ) 降低零件成本。由于冷挤压工艺具有节约原材料、提高生产率、减少零件 的切削加工量、可用较差的材料代用优质材料等优点，从而使零件成本大大降低n ， 由于金属的冷挤成形是在强烈的三向压应力下完成的，其变形抗力要比其他压力 加工方法大得多，且冷挤齿轮过程中，金属流动十分剧烈，工件和模具的局部温度可 达4 0 0 0 c 以上。冷挤压钢材时，模具所受的应力常达2 0 0 0 咿2 5 0 0 肝。模具除需要具 有高强度外，还需有足够的冲击韧性和耐磨性。因而，模具材料需有一定的回火稳定 性嘲由于上述情况存在，使得冷挤压模具的寿命远低于冲压模。要使冷挤压工艺进 一步推广，必须从模具设计、模具材料及模具制造工艺等方面设法提高模具的寿命。 1 2 冷挤压( 冷锻) 在国内外研究概况及发展趋势 冷挤压技术在国外工业发达国家的汽车、摩托车、家用电器等行业得到了广泛的 发展应用，而新型挤压材料、模具新钢种和大吨位压力机的出现，更拓展了其发展空 闻“日本在8 0 年代自称，其轿车生产中以锻造工艺方法生产的零件，有3 0 4 0 是采用冷锻工艺生产的，近年来生产的新型轿车则每车平均使用4 2 k g 的冷锻件。美 国等国家的轿车生产中，每车平均使用4 0 k g 的冷锻件脚 1 9 3 5 年，德国开发成功钢材的磷化处理工艺，为钢制零件的冷挤压成形创造了条 件，并于1 9 5 5 年开始将冷挤压技术用于汽车锻件的生产。6 0 年代，日本汽车工业的成 长，为冷挤压技术的发展创造了有利的条件。从冷挤压设备上看，自从1 9 3 3 年，日本 会田株式会社生产了日本第一台2 0 0 0 k n - - p k 型精压机( 肘杆式压力机) 以来，到目前 为止，已生产了2 0 0 0 多台p k 系列压力机。随着汽车工业的发展，对高精度压力机的 要求愈加迫切，会田株式会社又研制成功了各种锻造压力机，如1 9 7 2 年的c f t 系列多 工序压力机，1 9 7 9 年的肘杆式k 系列精压机和1 9 8 8 年的v e t 系列压力机。同时，日 本小松研制了以高精度和易于操作为目标的l 1 c ，l 2 c 系列冷锻成形压力机，其吨位 为1 6 0 0 i ( n 2 0 0 0 0 j ( n ，具有变形小而坚固的直闭式机身，最适合冷( 温) 挤压加工。 该系列压力机具有滑块导向装置，有大的滑块调节量及不需要润滑的导轨，能进行高 精度的、清洁的作业；具有大的侧向开口，为自动化装置的安装提供了方便：有可调 式工作台顶出定时装置；控制电路采用i c 电路，大幅度提高了操作的容易性和可靠性， 负载监控器能保证理想的挤压加工。除此之外，还生产有连续自动送料装置、快速换 模装置、模具等。从冷挤压产品上看，日本7 0 年代成功冷挤压启动离合器齿轮、传动 轴花键、交流发电机磁极铁芯啪。8 0 年代，又成功冷挤大型高精度等速圆球外座圈、 2 工程硕士学位论文异形孔台阶齿轮成形模设计及寿命研究 内座圈、十字轴、汽车差速器伞齿轮等高精零件，为日本汽车的高性能化和降低生产 成本做出了很大贡献。日本冷挤压技术已经成为净形或者近似净形加工技术，在世界 上处于领先地位，它带给日本汽车零件锻造企业很高的利润，为日本机械制造业做出 了很大贡献“1 。 我国的冷挤压技术与日本的起步时间相当，7 0 年代，我国曾在自行车、汽车电器 等批量生产的产品中，推广过冷挤压生产工艺技术，也开发成功了启动齿轮的挤压成 形，并投入批量生产但由于未从根本上解决工艺、设备、材料，模具、润滑、自动 化装置以及毛坯料的原始尺寸、原始状态、后处理等一系列技术问题，因而，未得到 较大发展8 0 年代，随着家电和汽车摩托车工业的迅速发展，对冷挤压工艺设备及生 产技术的引进、消化、吸收，科研人员通过生产实践攻克了冷挤压技术的不少难题， 与此同时，冷锻设备也有了较大发展。当前在我国汽车工业、摩托车工业和家电工业 的飞速发展，为冷锻这一传统的技术的发展提供了原动力，例如，我国1 9 9 9 年摩托车 的全国总产量有1 1 2 6 万多辆，而根据2 0 0 0 年的初步估计，我国汽车的总需求量至1 j 2 0 0 5 年将达至1 j 3 3 0 万辆，其中轿车1 3 0 1 4 0 万辆，仅汽车行业的锻件需求在5 0 6 0 万吨以 上哪。到目前为止，我国生产的轿车上的冷锻件重量不足2 0 k g ，相当于发达国家的一 半，开发潜力很大，加强冷锻技术开发与推广应用足我国目前的一项紧迫任务。目前 在国内涌现了具有代表性的厂家，在冷挤压技术应用方面卓有成效，其中有些厂还从 德国、日本引进了冷挤压压力机。我国已能用冷挤压工艺生产表壳、自行车飞轮、中 轴、精锻齿轮、汽车用等速万向节、内燃机用火花塞与活塞销、汽车挺杆、照相机零 件、汽车启动器定向套筒、启动齿轮等，且已达到国外同等水平嘲但其生产规模仍 偏小，不能发挥冷挤压的优势嘲 目前，制约冷挤压技术发展的因素主要是原材料、设备、模具及专业化组织生产 等问题。针对这些问题，我们应该从以下几个方面进行研究“1 ： ( 1 ) 有重点地按组织结构优化的方针与目标，对国内条件较好，工厂配套比较齐 全的企业，以专业化规模化组织生产的原则进行现代化企业的技术改造，使其在逐步 解决行业中业已存在问题的同时，提高市场的竞争能力，逐步缩小同国内外先进企业 之间的差距，进而搏击国际市场。 ( 2 ) 研究更理想的表面处理与润滑方法，扩大冷挤压的使用范围，加工出更复杂 甚至外形不对称的零件。 ( 3 ) 推扩c a d c a i 技术在冷挤成形工艺及模具设计中的应用，并在模具设计中引 入优化技术”。 ( 4 ) 寻找更好的模具钢材及热处理方法，延长模具使用寿命。 ( 5 ) 设计出更适应冷挤压工艺要求的压力机，在合理范围内提高冷挤压每次工序 的变形量。 3 工程硕士学位论文异形孔台阶齿轮成形模设计及寿命研究 冷挤压是一种( 近) 净形成形工艺，采用该方法成形的零件强度和精度高，表面 质量好。冷挤压工艺有着十分广阔的应用前景。 t 3 洗衣机离合器工作原理 波轮式全自动洗衣机都采用一个电动机实现洗涤和脱水两种功能，而这两种功能 的转换则是由离合器来进行控制的，离合器的结构示意图见图1 1 ，常用离合器在洗 涤与脱水时，内外轴转换的转速是不一样的，脱水时外轴是等速旋转的( 即速度是靠 皮带轮决定) ，而洗涤时则是以减速比为1 ：4 8 减速器减速旋转。减速器的齿轮轴( 输 入轴) 1 3 中下部套装着离合套1 2 和大皮带轮1 5 ，用紧固螺母1 4 紧固离合套1 2 上部 是外套轴1 7 ，在其外径上套装着方丝离合弹簧( 简称方丝簧) 1 6 。方丝簧结构如图1 2 所示。它的内径在自由状态时比离合套1 2 和外套轴的外径小，其自由端套在外套轴 1 7 上，固定端套在离合套1 2 上，固定端与棘轮6 的下部联接。这样，当棘轮转动时 就会带动方丝簧的一端( 固定端) 转动，使方丝簧受力，直径发生变化：刹车带7 包在 减速器外壳( 即刹车盘) 上其固定端以螺钉固定在离合器壳体1 9 上，活动端套在 制动杠杆4 下部在电磁铁连杆( 图中未标) 上的档套5 带动下转动。当制动杠杆( 图l 上箭头方向，从洗衣机上面看则为顺时针方向) 旋转时就放松刹车带；而当制动杠杆 在制动扭簧1 0 的作用下返回原位时就拉紧刹车带，此过程还推动调节螺钉l 继而带 动离合杆2 绕其销轴转动，使棘爪3 脱离棘轮6 ；当制动杠杆4 返回原位时，在离合 扭簧1 l 作用下，离合杆2 即回复原位。这就是通过推移或放开铝6 动杠杆实现了离台 器工作状态的转换。 排水时电磁铁通电吸合，连接在衔铁上的电磁铁连杆一方面拉开排水阀，一面使 固定在其上的档套按顺时针方向推移制动杠杆，制动杠杆的转动叉使固定在其下的刹 车带松开，失去制动作用，同时还推动调节螺钉，使离合杆上的棘爪与棘轮脱离，棘 轮和方丝簧呈自由状态，方丝簧呈自由旋转状态。离合套顺时针方向转动时与方丝簧 间所产生的摩擦力使方丝簧旋紧。因此，离合套的转动使方丝簧在离合套和外套轴上 越旋越紧，产生的摩擦力使齿轮轴、离合套、外套轴三者合成为一体。其传动链如下： 电机小皮带轮大皮带轮齿轮轴离合套方丝簧减速器外壳一 一脱水轴脱水桶，由于其间只经过一级皮带减速，故转速较高约在8 0 0 r m i n 以上。 洗涤时，排水电磁铁断电，在排水阀弹簧和制动扭簧的作用下，档套和制动杠杆 都恢复到图l 所示的位置，刹车带7 被拉紧，棘爪伸人棘轮4 将其逆时针方向拨转一个 角度方丝簧3 固定端随棘轮逆时针方向转过同一个角度，因而使簧的内径被旋大， 与离合套1 2 分离。大皮带轮1 虽仍带动离合套转动，但只是空转而这时齿轮轴5 经减速 4 工程硕士学位论文 异形孔台阶齿轮威形模设计及寿命研究 器二级减速，将动力传递到波轮轴上其传动链如下：电机小皮带轮一大皮带 轮一齿轮轴齿轮副波轮轴波轮这时，电机经一级皮带减速后叉经 减速比为4 8 的减速器减速最后传至波轮的转速约1 8 0 r m i n 方向同大皮带轮转 向相同。 图1 1 离合器结构 5 工程硕士学位论文异形孔台阶齿轮成形模设计及寿命研究 自由端 内径增大固定端 图1 2方丝弹簧结构 图1 3 离合器减速器结构 6 工程硕士学位论文 异形孔台阶齿轮成形模设计及寿命研究 1 4 本课题主要研究内容 洗衣机从动齿轮是离合器减速器( 图1 3 所示) 中要求最高，形状复杂的工件， 采用一次挤压成形，技术难点大。本课题主要研究下问题： ( 1 ) 异形孔台阶齿轮一次成形模具结构设计。模具是生产零件的工具，模具结 构不仅保证零件的质量，而且还影响到齿轮的生产工艺和生产效率，同时还决定模具 的制造工艺和制造成本。对于复杂形状零件的成形，模具结构是否合理是决定工艺能 否实现的关键。 ( 2 ) 异形孔台阶齿轮挤压成形工艺挤压成形工艺主要包括毛坯的准备工艺、 毛坯热处理工艺、毛坯润滑工艺、挤压工艺。正确的成形工艺是生产合格齿轮的基础。 ( 3 ) 异形孔台阶齿轮毛坯热处理工艺与挤压模具寿命间的关系齿轮毛坯的硬 度直接影响挤压力大小及齿轮齿形的成形，为提高模具的寿命，在可能的情况下，应 充分降低毛坯的硬度。 ( 4 ) 模具结构参数与模具寿命之间关系。凸模和凹模结构不仅取决于被挤压的 工件，同时对模具寿命有很大的影响，模具结构参数优化，是模具设计发展方向。 ( 5 ) 模具材料及热处理与模具寿命之间关系。挤压成形模具中的凸模和凹模工 作环境差、受力复杂，模具材料性能好坏对模具寿命起了关键性作用同时为了充分 发挥材料性能，必须采取与之相适应的热处理。 7 工程硕士学位论文异形孔台阶齿轮成形模设计及寿命研究 2 挤压工艺设计 2 1 异形孔台阶齿轮技术分析 异形孔台阶齿轮是离合器中的从动齿轮，它联接洗衣机波轮轴( 从动轴) ，带动波 轮实现正反转动，完成洗衣机洗涤工作。它的质量直接影响到洗衣机洗涤时的工作平 稳性及噪音。因而，它的技术要求相对较高，是离合器中关键齿轮之一 图2 1 从动齿轮结构 从动齿轮结构如图2 1 所示，齿轮模数为1 ，齿轮齿数为2 9 ，压力角为2 0 。，材 料采用滚齿加工时为2 0 钢，采用挤压工艺时为1 0 钢。齿轮中心孔为异形孔，传递动 力该异形孔妒1 2 片9 ( ”) m 为定位基准孔，1 0 j s l 0 ( , - 0 0 2 9 ) * 1 0 j s l o ( i - o 0 2 9 ) m 方孔 为传递动力孔，它与基准的对称度为0 0 4 r a m ，如果该尺寸和定位公差超差，则将影响 与波轮轴( 从动轴) 装配质量，从而影响洗衣机洗涤时正反转工作平稳性。齿形与基 准孔的径向跳动为0 0 8 脚，表面粗糙度为r a l 6 o n ，齿形要求饱满，如该技术要求超 差，则会使齿轮啮合质量变差，从而加大洗衣机洗涤时正反转不平稳性，使噪音加大， 降低了离合器的寿命。通过以上分析可知，离合器从动齿轮技术要求较高，加工难度 大，生产成本相对较高。采用机械加工的方法，即采用车拉滚加工工艺，产 8 工程硕士学位论文 异形孔台阶齿轮成形模设计及寿命研究 品合格率相对比较低，根据工厂生产记录，生产该产品的合格率一般在9 0 9 5 之间。 2 2 挤压工艺设计 由技术分析可知，从动齿轮尺寸精度相对较高，但冷挤压件的加工精度可达i t 7 i t 8 级左右；表面粗糙度可在r a 0 8 r a l 6 朋以下随着冷挤压技术的进步，冷挤压 件的尺寸精度和表面粗糙度已提高到可以与切削加工件相比的程度，即可以获得尺寸 精度相当高的冷挤压件目前，冷挤压件的内外径精度可达到0 0 3 m ，不圆度可 达0 0 2 m ，平面的平行度可达0 0 3 r a m ，厚度精度可达4 - 0 i m 。表面粗糙度可以 与精车、磨削相比。因此，从动齿轮的尺寸精度仍在挤压工艺所能达到的范围内。为 保证该齿轮的技术要求，异形孔应与齿形一起成形，同时，采用挤压成形，不但生产 效率高，节约大量原材料，而且挤压后材料的机械性能，尤其抗疲劳性能会有很大的 提高。 根据零件的形状、尺寸精度、形位公差及使用要求，其齿轮外径、异形孔均不放 机加工余量，直接挤到尺寸，齿轮端面不留机加工余量，台阶端留一定的机加工余量。 考虑到变形量不要太大，降低挤压力，提高凸模寿命，挤压异形孔应在圆孔的基础上 挤出，圆孔的直径为1 0 日8 ( ”) 为保证齿轮齿形质量，妒2 0 锥孔安排在挤压工艺后 由机加工保证。如果按排与齿形一次挤压成形，不仅影响齿面质量，而且使挤压模具 结构更加复杂，又不利于金属流动零件冷挤压件图见图2 2 图2 2从动齿轮冷挤压图 9 工程硕士学位论文 异形孔台阶齿轮成形模设计及寿命研究 根据挤压前与挤压后体积相等的原理，由挤压图可计算出从动齿轮挤压毛坯尺 寸，毛坯的表面质量和技术要求对齿轮成形后的质量有直接关系，要严格控制毛坯的 质量“”，因此，对毛坯的尺寸精度和位置公差都提出了较高的要求。毛坯结构如图2 2 所示，材料采用l o 钢冷拔3 2 圆钢，采用冲床精密下料，再精车达到毛坯图纸要求。 从动齿轮工艺流程为：冲床下举 _ 一车床精车一退火表面润滑挤压一 q 2 3 毛坯热处理工艺 图2 3从动齿轮挤压毛坯 毛坯的热处理对挤压模具寿命有较大的影响“钉。若坯料不经过充分的软化退火处 理，它不仅影响冷挤压件的充填性能、齿轮的齿形和齿轮的内孔质量，而且对冷挤压 模具、特别对异形孔冷挤凸模的使用寿命有较大影响“” 从动齿轮材料为冷拉1 0 钢，材料一般供应时硬度相对较高，不适宣直接进行冷 挤压，应采用完全套退火工艺降低毛坯硬度。毛坯的表面质量齿轮成形后的质量有直 接关系，要严格控制毛坯的表面质量，不允许表面有缺陷存在，所以在退火时应对毛 坯进行保护。一般完全退火工艺规范为：工件在有气体保护的炉中加热到 9 0 0 0 c 一9 2 0 。c ，保温3 4 小时，随炉冷却，这样，可有效地防止毛坯氧化，同时使 毛坯硬度有利于挤压成形。由于采用的气体保护退火，保温时间太长，同时又随炉冷 l o 工程硕士学位论文 异形孔台阶齿轮成形模设计及寿命研究 却，这样退火成本很大，不利于降低生产成本。 为了降低成本，通过多次试验，现将退火在有气体保护改在无气体保护下进行， 其规范为：将毛坯放在用不锈钢板制成的盒中，加盖并尽可能密封，放置炉中加热到 9 0 0 0 c 一9 2 0 0 c ，将装有毛坯的不锈钢盒从炉中移出，埋进砂堆中冷却如图2 4 所示， 砂应干燥，最好为石英砂( 越细越好) ，同时在炉中放进毛坯继续热处理，保温5 小 时后从炉中移出，埋进砂堆中冷却。按这样的工艺进行，既保护毛坯不被氧化，又提 高了热处理生产效率，降低了生产成本。毛坯经过完全退火后，其硬度大约在7 5 8 5 h r b 之间，大大降低了挤压力，从而提高了模具的寿命。 2 4 工件润滑处理 不镑锅耋 | | 翼鋈鬻。l 戆薯 羹爹藩叠套豢i 图2 4毛坯退火冷却 由于冷挤压时，模具要承受金属的巨大负荷，在金属流动过程中，还受极大的摩 擦力和温度变化的作用。在连续工作条件下，变形热和摩擦热使模具温度达2 0 0 3 0 0 0 c 可见，冷挤压模具是在极其恶劣的条件下工作的。因此，采取良好的润滑措施 以降低摩擦和发热，比起其他任何一种辅助方法显得更加重要。黑色金属的单位压力 高达2 0 0 k g m m 以上，在这样高的单位挤压力下，一般润滑剂是极容易被挤掉的，不 能再起润滑作用。经磷化皂化处理后，挤压毛坯形成一层结晶、多孔薄膜表面支 承层，它吸收润滑油的能力为一般光滑的钢表面的1 3 倍，经磷化处理后其摩擦系数由 0 1 0 8 变为0 0 1 3 ；同时由于皂化作用，表面生成了不溶解的硬脂酸锌，与毛坯表面 层紧密结合，形成钢表面的润滑层，其分布如图2 5 所示渊。 工程硕士学位论文异形孔台阶齿轮成形模设计及寿命研究 未作用的硬脂酸锌 磷酸锌 图2 5钢毛坯表面润滑情况 工艺流程 化学除油热水洗冷水洗一浸酸流动水洗磷化冷水洗 流动水洗一浸肥皂水。 工艺 ( 1 ) 磷化前的处理流程 1 ) 化学去油处理( 氢氧化钠n a o t t6 0 1 0 0 9 k l ，碳酸钠n 粕0 36 0 8 0 9 k 1 ， 磷酸钠n a ，p o , 2 5 8 0 9 k l ，水玻璃n a 。s i o , l o 1 5 9 k l ，处理温度8 5 ，处理时 间1 5 2 5 m i n ) 。 2 ) 热水洗( 8 5 ) 。 3 ) 酸洗去锈( h 2 s 矾1 2 0 1 8 0 9 k l ，n a c l 8 l o g k l ，6 5 7 5 ；时间为5 1 5 m i n ) 。 4 ) 流动冷水洗。 5 ) 中和( 碳酸钠n a z c 0 36 0 8 0 9 k l ，3 5 5 0 ；时间为2 3 m i n ) 6 ) 流动冷水洗( 或热水洗涤) 。 ( 2 ) 磷化处理。 经过前面六步处理后，就可进行磷化处理配方有氧化锌：z n o9 9 k l ，磷酸： h 3 p o , 2 3 9 k l ，水：h 2 0l k l ，总酸度：1 6 2 0 ，游离酸度：2 5 4 5 点，温度：8 5 9 5 ，时间：3 0 4 0 m i n 。 通过磷化处理产生磷酸二氢盐，在毛坯表面形成一层不溶性的细致的磷化膜覆盖 层在阳光下能闪闪发光，它能起支承作用。配制槽液时，由于氧化锌的溶解度很小， 而且在弱酸性溶液中也不容易溶解，所以在配槽时，先称取足量的氧化锌，放置备用。 另外，取足量的磷酸，用水稀释成5 0 6 0 的溶液，然后将氧化锌慢慢加人到所稀释 好的磷酸溶液中，并不断地搅拌，使之能充分地溶解，然后一起倒人槽中，加入足量 的水，搅拌均匀同时，将少量除过油的干净的铁末放人磷化槽中，以便使溶液中含 有一定量的铁离子，升温到规定的工艺范围，即可投人生产使用。若溶液的p h 值过低， 可用新配制的氢氧化锌进行适当调整，直到工艺要求。这样，基本上可以不需要化验 工程硕士学位论文 异形孔台阶齿轮成形模设计及寿命研究 分析，此工艺在生产过程中，只需用p h 试纸测试溶液的酸度即可，生产稳定，成本比 较低廉，日常维护也极为简单，磷化后经浸肥皂水就能够起到好的润滑作用。在生产 过程中。工件之间一定要留有间距，以防范工件在磷化过程中，相互之间形成压点现 象，造成局部磷化膜缺陷，影响后道的冷挤压工序 ( 3 ) 皂化处理 硬脂酸钠c 。，呲o o n a ：5 9k l ，水1 1 2 01k 1 ，温度6 0 7 0 ，时间1 5 r a i n 。把经 过磷化处理的毛坯放到按皂化配方的硬脂酸钠溶液中去，使毛坯表面附上一层白色皂 层，由于冷墩工序中要求磷化膜有一定的厚度，膜层较薄时，极易造成脱膜困难，工 件开裂，产生较多的次品，且在工作时也容易造成粘模问题肥皂要定期补充，同时 要保证溶液有一定的洁净度，严禁槽内有其它的悬浮杂质，一旦粘附到工件上面，就 很有可能在冷挤压的过程中，形成加工缺陷。若硬脂酸钠浓度过低时，极易形成工件 粘模或表面开裂现象，造成较多的不良品产生，这一点是很重要的，浸肥皂水所选用 的浓度比较高，其目的就是要保证磷化膜好的润滑效果，以便金属在延展过程中所受 阻力尽可能地小，有利于成品顺利地脱模。 采用表面处理与润滑，使变形坯料与模具间有一个润滑层，避免变形坯料与模具 直接接触，以降低摩擦阻力、变形力和模具的磨损。 工程硕士学位论文 异形孔台阶齿轮成形模设计及寿命研究 3 挤压模具结构设计 3 i 冷挤压工艺工作原理 冷挤压是精密塑性体积成形技术中的一个重要组成部分。冷挤压是指在冷态下， 将金属毛坯放入模具模腔内，在强大的压力和一定的速度作用下，迫使金属从模腔中 挤出，从而获得所需形状，尺寸以及具有一定力学性能的挤压件。显然，冷挤压加工 是靠模具来控制金属流动，靠金属体积的大量转移来成形零件的。挤压是迫使金屑块 料产生塑性流动，通过凸模与凹模间的间隙或凹模出口，制造空心或断面比毛坯断面 要小的零件的一种工艺方法。冷挤压是无切屑、少切屑零件加工工艺之一，是金属塑 性加工中一种先进的工艺方法。 根据挤压时金属流动方向与凸棋运动方向之间的关系，常用的挤压方法可以分为 以下几类 ( 1 ) 正挤压挤压时，金属的流动方向与凸横的运动方向相一致。正挤压又分为 实心件正挤压、空心件正挤压两种。正挤压法可以制造各种形状的实心件和空心件， 如螺钉、心轴、管子和弹壳等。 ( 2 ) 反挤压挤压时，金屑的流动方向与凸模的运动方向相反，反挤压法可以制 造各种断面形状的杯形件，如仪表罩壳、万向节袖承套等。 ( 3 ) 复合挤压挤压时，毛坯一部分金属流动方向与凸模的运动方向相同，而另 一部分金屑流动方向则与凸模的运动方向相反，复合挤压法可以制造双杯类零件，也 可以制造杯杆类零件和杆杆类零件。 ( 4 ) 减径挤压变形程度较小的一种变态正挤压法，毛坯断面仅作轻度缩减。主 要用于制造直径差不大的阶梯轴类零件以及作为深孔杯形件的修整工序。 以上几种挤压的共同特点是：金属流动方向都与凸模轴线平行，因此可统称为轴 向挤压法。另外还有径向挤压和镦挤法。冷挤压是在金属冷态下进行的，材料是在强 烈的三向压应力状态下变形的，因此变形抗力较大如以制造一个直径3 8 嘞、厚5 6 m 、 高1 0 0 珊n 低碳钢杯形零件为例，采用深拉伸方法加工。最后道拉伸工序仅需变形力 1 7 0 k n ，而采用冷挤压加工则需变形力1 3 2 0 k n 。这时作用在凸模上的单位压力达到 2 3 0 0 m p 。以上压力相当于大气压力的2 3 0 0 0 倍吼1 由于材料变形抗力高，所以可能导致以下的缺点： ( 1 ) 模具易磨损，易破坏、因此要求模具材料好。目前一般模具钢，其许月应力 最大只能达2 5 0 0 m p a ，最好的模具钢也不超过3 0 0 0 m p 3 。为了解决冷挤压的主要矛盾， 就得采取各种技木、措施，在尽力降低冷挤压材料变形抗力的同时，设法提高模具的 1 4 工程硕士学位论文异形孔台阶齿轮成形模设计及寿命研究 承受能力以利于冷挤压生产的顺利进行。 ( 2 ) 对挤压设备要求较高，吨位要大。除了要求挤压设备应有较大的强皮以外， 还要求有较好的刚度。此外还要求设备具有良好的精度并具有可靠的保险装置。 冷挤压虽有很多优点，但变形阻力大，就限制了零件的尺寸，同时也限制了变形 抗力大的材料采用冷挤压工艺。由从动齿轮结构可知，采用封闭正挤压对工件变形及 模具结构最为有利。 3 2 挤压工艺计算 挤压工艺计算一般指变形程度的计算和挤压力计算。变形程度就是被加工件的截 面积和原始毛坯截面积的变化程度。镦粗时零件离截面积比原始毛坯截面积增加，挤 压时零件截面积比原始毛坯截面积减少。冷挤压的变形程度愈大，挤压变形抗力也就 愈大。冷挤压的特点是变形压力大，如果冷挤压变形作用在模具单位面积上的力( 即 单位挤压力) 超过了2 5 0 0 3 0 0 0 m p a ，模具就要损坏；另一方面如果总变形力超过压 力机的许用载荷，就会使压力机损坏。因此，在模具设计时，必须进行相关的工艺计 算。 3 2 1 变形程度计算 冷挤压的变形程度的表示方法有： 断面变化率： 毛：拿 4 挤压比： g ：二墨l 4 式中4 一挤压毛坯横截面积 4 一挤压件横截面积 从动齿轮齿形挤压成形的断面变化率为： 毛= 竿蝴= 等等帖2 s 舶 ( 3 1 ) ( 3 2 ) 由正挤压黑色金属工件的许用变形程度图可知，含碳量为0 1 0 左右的钢许用变 形程度断面收缩率为 8 5 。工件变形量小于材料许用变形量，这样有利于工件 成形，提高模具寿命。若采用以凹模导向的正挤压如图3 1 所示，其许用值为啪1 ： - 6 磊 1 5 工程硕士学位论文 异形孔台阶齿轮成形模设计及寿命研究 把工件尺寸代入上式得： 1 1 - - - - 4 6 * 2 6 6 l o = 2 1 2 6 6 3 1 ；1 1 7 2 一= 2 6 6 图3 1齿轮正挤压示意图 根据以上的分析，采用凹模1 ：3 导向的正挤压结构，可一次挤出齿轮。 3 2 2 挤压力计算 单位挤压力是指总挤压力与凸模接触坯料的表面在凸模运动方向上的投影面积之 比。即： p = i f ( 3 3 ) 式中 p 一单位挤压力( 肝a ) ； n “ 磊一以 工程硕士学位论文异形孔台阶齿轮成形模设计及寿命研究 f 一总挤压力( n ) ； 彳一凸模与坯料接触表面在凸模运动方向上的投影面积( 硼f ) 一般情况下，作用在凹模上的单位挤压力与作用在凸模上的单位挤压力是不一样 的，正挤压时，作用在凸模上的单位挤压力要小于作用在凹模上的单位挤压力；反挤 压时，作用在凸模上的单位挤压力要大于作用在凹模上的单位挤压力。由于影响挤压 力的因素较为复杂，要较为精确地确定冷挤时的单位压力和总压力，目前还没有一个 十分完善的方法。在实际生产中常采用图解法和近似计算确定。 ( 1 ) 图解法 由黑色金属正挤压实心件挤压力计算图表可知，坯料直径d 。= 3 1 m ，高度h o = 2 1 m ， 凸模直径d i - 3 1 珊，计算出单位挤压力为p = 4 8 0 m p a , f = 3 8 0 k n 。 ( 2 ) 近似计算法 单位挤压力 p = 2 砸鲁+ 和争e 警 式中：p 一单位挤压力 m p o 仃一被挤压材料的变形抗力m p o ；材料为1 0 钢，对数挤压比 中= i n f o f , = 0 3 1 ，盯为7 0 0 m p o 磊一毛坯直径；f o 毛坯断面面积： 盔一挤压后直径；e l 挤后断面面积； | j l i 一凹模工作带高度； _ j i o 一毛料长度； e 一自然对数底； l i 摩擦系数，有润滑时可用i i = 0 1 。 以j j l i = 1 6 代入上式，求出挤压齿轮的单位挤压： 脚。( 1 n 未叭舄。等= m 啡m 姗+ o m ，1 1 4 5 = 4 2 6 5 m p o 工程硕士学位论文 异形孔台阶齿轮成形模设计及寿命研究 总挤压力为： f = p a = 4 2 6 5 木丌 1 5 5 1 5 5 = 3 2 1 7 4 5 ( 椰= 3 2 2 ( 吨) 由于是近似计算，再根据工厂实际情况，最后确定在1 0 0 油压机生产该工件。也 可采用1 0 0 砘机械压力机，但挤压模具结构是不一样。 3 3 模具方案分析 由前面分析可知，从动齿轮采用挤压工艺，成形难度并不大，但从其成形精度上 来看冷挤压成形就有一定困难了一般线切割尺寸误差在0 0 1 m ，似乎也可以达到这 一要求，但考虑到挤压模预应力结构的特点：单位压力高，弹性变形大，这一点就难 以保证，这是挤压成形难点所在。从模具设计与基于制造的角度来看，其难点有： ( 1 ) 若采用整体凹模，从计算的单位压力来看，强度尚能满足要求，但淬硬的整 体凹模有内应力存在，一边切割一边释放内应力，精度难以达到要求，而且凹模筒与 齿形凹模之间的台阶所产生的应力集中会使模具寿命很低。 ( 2 ) 若采用预应力组合凹模，那么齿形凹模是在组合前线切割还是在组合后线切 割呢，加了预应力切割齿形时，会一边切割一边有一定量的预应力释放，最终齿形精 度误差会很大，有可能达到0 2 聊左右，这是不允许的而加预应力之前切齿形时齿 形精度虽高，但一加预应力，齿形精度就会变化，达到图纸要求也很困难。 为了保证齿形精度和模具寿命，采用组合凹模是必然的。从单位挤压力上来讲， p = 5 5 0 1 v p a ，采用整体凹模是可以的，但考虑到模具寿命，最好采用预应力凹模。预 应力凹模尽管按照常规设计时，其齿形精度难以保证，但考虑到单位挤压力不是太高， 不必采用大的预应力，这就为解决齿形精度提供了一种可能。另一方面，预应力既 然能改变模腔尺寸，也就有可能改变型腔的精度，因此将凹模型腔精加工放在