齿轮轴的冷挤压成型工艺毕业设计.doc

毕 业 论 文 课 题 名 称齿轮轴的冷挤压成型工艺 分 院 专 业 机械工程学院 模具设计与制造 班 级 模具 0923 学 号 学 生 姓 名 指导教师 2012 年 6 月 1 日 毕业设计 论文 报告纸 装 订 线 齿轮轴的冷挤压成型工艺齿轮轴的冷挤压成型工艺 摘要摘要 本文主要对齿轮轴的冷挤压加工进行了分析研究 将齿轮轴由过去的切削加工工艺改变成 冷挤压成形工艺 实现少废料加工 并改善齿轮轴制件质量 是加工方法的进步 在过去齿轮的生产 主要采用滚 插 铣等传统工艺 但传统工艺加工的齿轮存在生产效率 低和产品质量差等缺点 为了克服这些缺点 近年出现了渐开线齿轮的冷挤压加工工艺 采用该 工艺加工渐开线齿轮 不但使生产效率大大提高 产品尺寸稳定 表面粗糙度低 材料利用率达 70 80 而且冷挤压使工件表面产生压应力 可以增加产品的疲劳强度 基于冷挤压加工的优点 我 们在生产中引进了这一加工工艺 为了在制造齿轮轴时减少工艺不合理性所带来的误差及难以加工等现象 本课题主要介绍 了齿轮轴的冷挤压加工 通过加工中挤压成型中受力的分析 解决细长轴挤压出现的镦粗变形 情况及冷挤压工件的热处理方法 应此本课题的研究具有重要的现实意义 关键词 齿轮轴 冷挤压 加工工艺 热处理关键词 齿轮轴 冷挤压 加工工艺 热处理 毕业设计 论文 报告纸 I 装 订 线 Abstract Main gear shaft of cold extrusion processing were analyzed Gear shaft from the previous machining process change into cold extrusion forming process less waste processing gear shaft and improve part quality advances in processing methods In the past the gear production mainly by rolling insert milling and other traditional techniques but the traditional processing of gear has low production efficiency and poor product quality In order to overcome these shortcomings in recent years the involute gear cold extrusion process The processing technology of involute gear not only improves the production efficiency product size stability low surface roughness material utilization rate up to70 80 and cold extrusion of the workpiece to produce compressive stress can increase the product fatigue strength Based on the cold extrusion processing advantages we in the production of the introduction of the process In order to reduce the process of manufacturing gear shaft is not reasonable and the difficulty of processing error caused by the phenomenon this paper mainly introduces the gear 0axis cold extrusion processing through the processing of extrusion force analysis solve the elongated shaft extrusion of upsetting and extrusion workpiece heat treatment method Should this topic research has the important practical significance Keywords Gear shaft Cold extrusion Processing Heat treatment 毕业设计 论文 报告纸 II 装 订 线 目 录 第 1 章 绪论 1 1 1 毕业设计选题的背景及意义 1 1 2 冷挤压在国内外研究概况及发展趋势 1 1 2 1 冷挤压技术发展趋势 2 1 3 冷挤压工艺对模具的要求 2 1 4 冷挤压的特点 3 1 4 1 冷挤压特点 3 1 4 2 冷挤压的基本类型 3 1 4 3 冷挤压的优点 4 1 4 4 冷挤压缺点 4 1 5 冷挤压模具的构造及特点 5 第 2 章 齿轮轴成形工艺确定 8 2 1 齿轮轴的结构分析 8 2 2 冷挤压工艺的分析 9 2 3 冷挤压几种工艺组合形式 9 2 4 齿轮轴冷挤的理论基础 10 2 5 冷挤压工艺方案设计 10 2 6 齿轮轴冷挤压变形计算 11 第 3 章 齿轮轴的加工 15 3 1 基准的概念和分类 15 3 2 毛坯直径的计算及优化 15 3 3 各加工阶段的主要任务 17 3 4 加工顺序的安排 18 3 5 限制局部挤压镦粗办法 18 3 6 拟定加工工艺路线方案 20 3 7 冷挤压关键技术研究 23 3 7 1 冷挤压前期出来 23 3 7 2 冷挤压成形中的润滑 23 毕业设计 论文 报告纸 III 装 订 线 第 4 章 总结 26 答谢词 27 参考资料 28 毕业设计 论文 报告纸 共 28 页 第 0 页 装 订 线 第 1 章 绪论 1 1 毕业设计选题的背景及意义 本课题是 齿轮挤压模具参数优化设计产业化推广 的一部分 过去采用切削加工方法得 到 其生产工艺较复杂 成本较高 效率较低 质量也不易保证 为此 必需逐步研制和推广 应用一项先进的金属塑性成形技术 冷挤压工艺 齿轮轴冷挤压加工就是以少无切屑毛坯为 核心的合理选择变形方式 提高材料利用率和制件尺寸精度 减少机械加工工时 制造工艺简 单 降低能耗 提高生产率 当采用冷挤压成形工艺后 该件制造工艺简单 生产率提高了2O 倍以上 并且实现了少废料加工 节约了原材料 制件质量也得到明显改进 1 2 冷挤压在国内外研究概况及发展趋势 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 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 较多应用于中小型锻件规模化生产中 与热锻 温锻工艺相比 可以节材 30 50 节 能 40 80 而且能够提高锻件质量 改善作业环境 现代冷挤压技术是从 18 世纪末开始的 法国人在法国革命时代把铅从小孔中挤出制成枪弹 开始了冷挤压 1830 年在法国已经有人开始利用机械压力机 采用反挤压方法制造铅管和锡管 1906 年美国为了制造黄铜的西服纽扣 已经有人取得了正挤压空心杯形坯料的专利权 1909 年 美国人获得专利的 Hooker 法 正向冲挤法 金属流动方向与冲挤方向相同 就是在买了 1906 年的专利之后发展起来的 该专利中的杯形坯料 是采用拉深法制造的 第一次世界大战中 曾用 Hooker 法制造了黄铜弹壳 而在第二次世界大战以前的 1934 年 德国人就利用这种方法 试制了钢弹壳 但因热胶着严重 没有成功 直到第二次世界大战中期由于采用了新的表面润 滑处理方法 使工件表面形成磷酸盐薄膜 挤压方法制造钢质弹壳获得成功 自此 冷挤压 技术走向实用 成为冷锻技术中应用最广泛的一种方法 60 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 1933 年 日本会田株式会社 生产了日本第一台 2000kN PK 型精压机 肘杆式压力机 以来 到目前为止 己生产了 2000 多 台 PK 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 同时 日本小松研制了以高精度和易于操作为目标的 LIC LZC 系列 冷锻成形压力机 从冷挤压产品上看 日本 70 年代成功冷挤压启动离合器齿轮 传动轴花键 毕业设计 论文 报告纸 共 28 页 第 1 页 装 订 线 交流发电机磁极铁芯 80 年代 又成功冷挤大型高精度等速圆球外座圈 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 我国的冷挤压技术与日本的起步时间相当 70 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 80 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 目前 我国己能用冷挤压工 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 且己达到国外同等水平 1 2 1 冷挤压技术发展趋势 1 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 锻件生产向高效 高质 精化 节能节材方向发展 因此用挤压成形等工艺手段所生产的精化 锻件的产量 在市场竞争中将得到较大的发展 2 汽车向轻型化 高速度 平稳性方向发展 对锻件的尺寸精度 重量精度及力学性能等 都提出了较高的要求 如轿车发动机用连杆锻件除对大小头之间的误差有要求外 对每件的重 量误差也要求不大于八克 新产品的高要求 将促进精化生产工艺的发展 3 专业化 规模化的组织生产仍是冷挤压生产的发展方向和趋势 在法国 以挤压成形工 艺生产锻件的专业厂家 1991 1994 年全员劳动生产率 即每人生产挤压件的产量及产值 均高 于一般生产模锻件或者自由锻件的厂家 以 1994 年为例 专业厂家挤压件人均产量为 51024KG 创产值 775688 法朗 而同期一般性生产模锻件的厂家 其人均产量仅为 39344KG 产 值 592384 法郎 仅相当于挤压件专业生产厂家的 77 1 和 76 37 自由锻件生产厂与之相比则 更低 4 挤压专机将成为一种发展趋势 随着中小型锻件的精化生产发展及冷挤压 温挤压工艺 的推广应用 多工位冷挤压压力机 精压机及针对某种锻件而设计制造的专机会得到大力发展 毕业设计 论文 报告纸 共 28 页 第 2 页 装 订 线 1 3 冷挤压工艺对模具的要求 1 模具工件零件 凸模 凹模 芯轴 顶件器 应该有足够的强度和刚度 工作零件要 选择合理的几何形状及模具材料 使其有相当的强度 韧性和耐磨性 以提高模具使用寿命 2 模具易损部分要拆装方便 应具有普通性和互换性 3 模具应具有良好的稳定性和导向装置 工作零件能简捷而可靠的固定在模架上 4 制造简单 成本低 有利于采用半自动化或自动化送料和出件 且操作要安全可靠 1 4 冷挤压的特点 1 4 1 冷挤压特点 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 比较多的应用于中小 型锻件规模化生产中 与常规模锻工艺技术相比 可以节材 30 50 节能 40 80 而且 能够提高锻件质量和改善作业环境 1 4 2 冷挤压的基本类型 冷挤压可分为正挤压 反挤压 复合挤压 径向挤压等 图1 1 1 正挤压 挤压时金属流动方向与凸模运动方向相同 见图 1 1 a 适用于实心件 管件 的挤压 2 反挤压 挤压时金属流动方向与凸模运动方向相反 见图1 1 b 适用于各种断面形状 的杯形件 毕业设计 论文 报告纸 共 28 页 第 3 页 装 订 线 3 复合挤压 挤压时 金属流动方向相对于凸模运动方向 一部分相同 另一部分相反 见1 1 c 可以制造各类复杂形状的挤压件 4 径向挤压 挤压时金属流动方向与凸模的运动方向垂直 见图1 1 d 适用于具有法兰 凸台的轴对称的挤压 1 4 3 冷挤压的优点 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80 以上 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 冷挤压零件的精度可达IT7 IT8 级 表面粗糙度可达Ra0 2 1 6 因此 用冷挤压加工 的零件一般很少再切削加工 只需在要求特别高之处进行精磨 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 因此 某些原需热处理强化的零件用冷挤压工艺后可省去热处理工艺 有些零件原需用强度较高的钢 材制造 用冷挤压工艺后就可用强度较低的钢材代替 5 可加工形状复杂 难以切削加工的零件 如异形截面 复杂的内腔 内齿及表面看不见的 降低零件成本 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 等等 毕业设计 论文 报告纸 共 28 页 第 4 页 装 订 线 1 4 4 冷挤压缺点 1 对模具要求高 冷挤压时毛坯在模具中受三向压应力而使变形抗力显著增大 这使模 具所受的应力远比一般冲压模大的多 冷挤压钢材时 模具所受的应力常达2000MPa 2500MPa 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 此外 金属毛坯在模具中强烈的 塑性变形 会使模具温度升高至250 300 左右 因而 模具材料需有一定的回火稳定性 由 于上述情况 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 2 需用大吨位的压力机 由于冷挤压时毛坯的变形抗力大 需用数百吨甚至几千吨的压 力机 3 由于冷挤压的模具成本高 一般只适用于大批量生产的零件 4 毛坯在挤压前需进行表面处理 这不但增加了工序 需占用较大的生产面积 而且难 于使生产自动化 5 不适用于高强度材料加工 6 冷挤压零件的塑性 冲击韧性差 且零件残余应力大 这会引起零件的变形和耐腐蚀 性的降底 1 5 冷挤压模具的构造及特点 1 冷挤压模具一般由以下四部分组成 工作部分 凸模 凹模 上 下模座 导向部分 导柱 导套或导筒 卸料和顶出部分 卸料板 顶杆 紧固部分 凹模压板 螺栓 销钉等 表 1 1 挤压模零件分类 类别部 别功 能构 成 工作零件直接使材料变形 对坯料 进行加工 凸模 凹模 卸料板 顶杆 顶出器 定位零件使坯料得以在模具上正确 定位 导料板 挡料销 工 艺 零 件 卸料零件 将抱在凸模上或滞留在凹 模中的挤压件卸下或者顶 出 卸料板 导套 顶杆 顶出器 环形卸料器 毕业设计 论文 报告纸 共 28 页 第 5 页 装 订 线 导向零件保证模具上下部分对正吻 合 导柱 导套 支撑零件支撑和固定模具零件 上模板 下模座 凹 凸模固定板 模柄 垫块 辅 助 零 件 装配零件将模具工作零件与辅助零 件紧固在一起 螺钉 螺栓 销钉 2 常用的模具结构有 专用反挤模 正挤模 复合挤模和通用模等 3 冷挤模的特点 冷挤模的外部轮廓形状酷似板料冲压模具 但它比普通冲压模具承受的 压力要大得多 此压力一般为2000 2500MPa 甚至更高 达到材料强度的4 6 倍 一般接近甚 至超过现有模具材料的强度极限 这种压力又作用于冷挤模的中心 成为相当大的集中载荷 而且工作时间很长 这是区别于其他成型方法和冲压模具最为突出的特点 表 1 2 挤压模具的分类 分类方法模 具 名 称 按工艺性质正挤模 反挤模 复合挤压模 冷镦模 矫形模 冲挤模 按工序组合单一工序简单模 双工序复式挤压模 按生产适应性通用模 专用模 小批量生产模具 大批量生产模具 按导向方式无导向敞开模 导柱模 导套导向模 模口导向模 按精密级别粗级模具 一般精度模具 精密级模具 按模具材料钢冷挤模 硬质合金镶块冷挤模 按自动化程度手动模 半自动模 自动模 毕业设计 论文 报告纸 共 28 页 第 6 页 装 订 线 另外 在金属流动过程中 模具还要承受极大的摩擦力和温度变化的作用 在连续工作的 条件下 变形热和摩擦热使得模具温度达200 300 以上 可见 冷挤压模具的工作条件极其恶 劣 因此 冷挤压模具在结构上与冲压模具又有许多不同之处 它的主要特点是 1 模架刚性好 强度高 2 模座厚度和接触面积大 3 结构较为对称 4 凸出 凹进处较少 5 凹模多为镶块预应力套结构 6 工作部件 采取分割形式的居多 7 工作部件直接用螺钉紧固的情况很少 多数采用压套和压板的间接方法紧固 8 冷挤模一般具有双重卸 顶料装置 有时顶出和卸料装置还兼有封压金属和直接参与完成 工艺变形的作用 图1 2 冷挤压模具装配示意图 毕业设计 论文 报告纸 共 28 页 第 7 页 装 订 线 第 2 章 齿轮轴成形工艺确定 2 1 齿轮轴的结构分析 图 2 1 零件结构的二维图 图 2 2 零件的三维图 齿轮轴左端是挤压成型的齿轮 右端是螺纹 M10X1 7h 除螺纹和槽以为均为挤压成型 毕业设计 论文 报告纸 共 28 页 第 8 页 装 订 线 2 2 冷挤压工艺的分析 在冷挤压生产中 往往由于变形工序设计不妥 使挤压件成形时产生各种缺陷 如表面折 叠 表面折缝 表面裂纹 缩孔 内部裂缝 纵向弯曲等 因此 只有预先了解这些缺陷的成 因 才能在设计变形工序时 采取有效的解决办法 获得合格的挤压件 另外 在制订挤压件 时 选择合理的许用变形程度 许用变形程度越大 则生产效率就越高 工序就越少 但因此 单位压力也要增大 这就有可能超出模具所允许的单位压力 导致模具的损坏 因此 许用变 形程度的大小应严格控制 它主要取决于下列因素 1 冷挤压模具的强度越高 模具许用单位压力就越大 则许用变形程度值也就越大 在当 前技术条件下 从模具材质 结构 寿命等方面考虑 模具的许用单位挤压力为 2 500 3 500MPa 2 被挤金属材料强度越大 挤压时其变形抗力也越大 则许用变形程度值就越小 黑色金 属的许用变形程度又随含碳量的增加而减小 3 采用不同的冷挤压变形方式 需用的单位压力不一样 因此 许用变形程度也是不同的 4 模具工作部分采用不同的结构型式 对单位挤压力的影响较大 因此 对许用变形程度 值也有较大的影响 5 毛坯表面润滑处理直接影响到单位挤压力的大小 因此 对许用变形程度值也有较大的 影响 2 3 冷挤压几种工艺组合形式 工艺设计部分是锻模设计的重要内容 进行工艺设计时 首先由已建立的锻件几何模型计 算出其体积 净重 投影面积 长度和形状复杂函数 再求得质量分布曲线 计算坯料图和方 块图 确定锻造工序 计算锻造载荷和能量 并选择所用设备 工艺设计部分的主要任务是确定锻造工序 计算工艺参数 并为后续设计准备必要的数据 进行冷挤压工艺设计时 首先根据变形前后体积不变的法则按挤压件图形计算出毛坯的体积 并由挤压件尺寸或中间工序尺寸确定毛坯尺寸 再按变形程度和形状复杂程度确定工序数 然 后进行中间工序设计 决定各道工序挤压的形状和尺寸 并选定成形方法 安排加工工序 以下是几种工艺组合形式 1 圆棒一镦粗一软化 润滑处理一冷挤压 2 铸造一软化 润滑处理一冷挤压 用铸件作预制坯 再冷挤压成形 3 车床下料一退火软化一滚光 酸洗一磷化 皂化一正挤压 为了得到较高的坯料尺寸精度和 毕业设计 论文 报告纸 共 28 页 第 9 页 装 订 线 断面质量 采用落料质量较高的车床下料 然后经退火软化 滚光 酸洗 磷化 皂化 再进 行冷挤压 4 圆棒一切断一温挤压一软化 润滑处理一冷挤压 该工艺是正在发展的温挤压预制坯 它事 先使金属达到产品的近似净形 然后用冷挤压进行终成形 以提高精度 这样 可以减少采用 冷成形制造预制坯的工序数 该工艺需添置感应加热装置 并应控制氧化皮的生成 5 圆棒一切断一退火一软化 润滑处理一冷挤压一切削一磷化皂化润滑处理一冷挤压 对复杂 的零件 为了保证终锻件质量和模具寿命 需作多次退火 磷化皂化润滑处理和预锻成形 以 生成终锻前的预制坯 6 板材一冲压一软化 润滑处理一冷挤压 是利用板材一次冲压成形制坯 原则上比利用棒材 成形制坯节约能源 典型实例是生产发电机转子磁极铁芯G 2 4 齿轮轴冷挤的理论基础 齿轮的冷挤压方法有两种 一是封闭式挤压 如图 2 3 a 另一种是开式挤压 如图 2 3 b 前者工件整体变形 齿轮的成形性几乎与模具的半锥角及毛坯横截面缩减率等主要 因素无关 后者工件只是局部变形且轴杆部在变形时起传力作用 此工艺能够顺利进行的条件 是齿轮成形挤压力不能超过齿轮轴传力段承载能力 即不能超过成形极限 齿轮轴闭式挤压 2 3 a 齿轮轴开式挤压 2 3 b 图 2 3 齿轮轴冷挤压工艺分类 2 5 冷挤压工艺方案设计 冷挤压的加工方式可分为三种 1 用盘料进行多工位连续加工 2 棒料切断 经校形 毕业设计 论文 报告纸 共 28 页 第 10 页 装 订 线 退火 磷化后 在专用挤压机或者普通压力机上挤压成形 3 在坯料直径与高度比大于3 以上 时 采用板料冲裁制坯 经退火 磷化后 在普通压力机上挤压成形 进行冷挤压工艺设计时 首先根据变形前后体积不变的法则按挤压件图形计算出毛坯的体 积 并由挤压件尺寸或中间工序尺寸确定毛坯尺寸 再按变形程度和形状复杂程度确定工序 正挤压实心件的工艺设计要点 1 实心件的挤压工艺参数应限定在下列范围内 a 尾端厚度大于杆径之半 b 最大挤出长度在杆径的10 倍之内 c 低碳钢材料的许用变形程度约为75 4 2 与挤压模腔尺寸接近的坯料 可以不经校形直接挤压 如果尺寸相差太大 以及变形程度 或挤压件精度很高 坯料还要校形 3 原则上 正挤压的尾端与杆形部分之间应采取锥角过渡 如果挤压件是平面的直角过渡时 为了避免挤压断面塌下和产生缩孔 应采取带凹窝的凸模挤压 4 杆形部分的弯曲是不可避免的 工艺设计时 应从进一步提高坯料精度 采取有效的润滑 方法等方面想办法来减小弯曲 5 尾端厚度尺寸和公差能够保证时 加工余量只留在杆形件的端头 否则两端都要进行加工 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 根据齿轮轴的形状特点 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 经计算坯料尺寸再考虑到两端修边余量及一次挤压成型 在长度方向选取 42 4mm 前端面的螺纹以及退刀槽难以保证尺寸 故采用机械加工出来 根据图纸上信息 初 步确定毛坯外形尺寸42 4mm 18 9mm 材料牌号 10 2 6 齿轮轴冷挤压变形计算 下为齿轮轴的参数表 毕业设计 论文 报告纸 共 28 页 第 11 页 装 订 线 表 2 1 齿轮轴参数表 其中齿轮部分参数为 m 1 Z 13 a 20 计算过程如下 其中将轮齿部分近似为三角形 三角形高为齿顶高加齿根高 三角形底为齿根厚 由于齿 轮轴零件的材料为中等强度 10 钢 变形抗力大 塑性较差 且有加工硬化现象存在 难以进 行大变形量挤压成形加工 但若对坯料进行充分地退火软化处理 以降低变形抗力和提高塑性 指标 采用冷挤压成形工艺是完全可行的 冷挤压变形程度的计算公式为 2 1 100 0 10 A AA A Z Z1313 m m1 1 a a2020 W W 14 0 056 0 54 4 FrFr0 080 08 FwFw0 040 04 X X 0 1 0 1 精度精度 GB GB 8 7 7 FJ8 7 7 FJ 測齿数測齿数 2 2 3222 2 10 4 1 16 5 12 4 1 4313 4 1 1615 4 1 15 4 1 L 毕业设计 论文 报告纸 共 28 页 第 12 页 装 订 线 式中 A0 冷挤压变形前毛坯的横断面积 mm2 A1 冷挤压后工件的横断面积 mm2 齿轮轴的最大变形程度由式 2 1 计算为 而10钢的许用变形程度为30 40 所以可以一次挤压成形 因此本设计中的齿轮 轴采用第 2 种加工 一次成型挤压 此外 变形程度亦可用挤压比来表示 它的定义是坯料与挤压件横断面积之比 当挤压比用对数表示时 又称为对数塑性变形 挤压比 1 0 A A r 对数塑性变形 1 0 lnln A A R 显然 挤压比与断面缩减率之间存在着一定的关系 0 1 1 10 1 A A A AA 则 1 1 经过简化 整理后 基本变形方式下变形程度的计算和表示方法可归纳成表 2 2 所示 毕业设计 论文 报告纸 共 28 页 第 13 页 装 订 线 表 2 2 变形程度的表示方法 毕业设计 论文 报告纸 共 28 页 第 14 页 装 订 线 第 3 章 齿轮轴的加工 3 1 基准的概念和分类 零件是由若干表面组成的 各表面之间都有一定的尺寸和相互位置要求 用以确定零件上 点 线 面间的相互位置关系所依据的点 线 面称为基准 基准按其作用不同 可分为设计 基准和工艺基准 1 设计基准 设计图样上所采用的基准称为设计基准 如零件图上的轴心线是各外圆和孔的设计基准 2 工艺基准 在工艺中采用的基准称为工艺基准 按用途可分为定位基准 测量基准和装配基准 定位基准 加工时使工件在机床或夹具中占据正确位置所使用的基准 如零件在精车时 中心孔就是定位基准 测量基准 零件检验时 用于测量已加工表面尺寸及位置的基准 装配基准 装配时用已确定零件在部件或产品中位置的基准 3 2 毛坯直径的计算及优化 毛坯的直径 形状及材料的机械性能直接影响挤压后齿轮的齿形 合理选择毛坯直径要基 于以下几点考虑 首先是毛坯直径不能过大 否则将导致首道正挤齿轮的变形程度过大 过大的变形程度使 得在挤压齿轮时 齿轮外径产生裂纹 其次是毛坯直径不能过小 过小的直径在齿轮冷挤压时传力段会在入模口处产生坯料的堆 积 出现镦粗现象 毛坯直径的确定至今尚无绝对可靠的计算方法 其主要原因是由于在挤压过程中金属产生轴 向流动而导致实际毛坯直径与计算出的毛坯直径相差较大 只能通过下面的公式大概计算出毛 坯直径 然后在得出的结果附近进行取值试验 最终得到理想的毛坯尺寸 毕业设计 论文 报告纸 共 28 页 第 15 页 装 订 线 图 3 1 齿轮轴零件图 当工件分度圆压力角时 按渐开线齿形面积计算公式计算值 o 35 o D 毕业设计 论文 报告纸 共 28 页 第 16 页 装 订 线 fff b f f fb ff o SDSDtgtg D DtgtgDRDD 33 2 2 2 22 3 4 当工件分度圆压力角 直线齿形面积计算公式计算值 o 35 o D f fafao DDDSS z D 2 已知齿轮尺寸 mmDa27 mmDf 6 24 o 20 分度圆直径 mmmzD13131 齿厚 mmxm m S1 1tan2 2 基圆直径 mmDDb19 11cos 求得 mmDo 9 18 3 3 各加工阶段的主要任务 1 粗加工阶段的任务是切除毛坯大部分余量 使毛坯接近成品的形状和尺寸 2 挤压加工阶段的任务是成型零件的形状并让表面达到一定的精度要求 符合图纸上的要求 3 精加工阶段的任务是保证各主要表面达到规定的精度和表面粗糙度及零件的形状 毕业设计 论文 报告纸 共 28 页 第 17 页 装 订 线 3 4 加工顺序的安排 1 切削加工的安排原则 A 基准先行 B 先粗后精 C 先主后次 D 先面后孔 2 热处理工序的安排 A 预备热处理的目的的改善工件的加工性能 消除残余内应力 改善金相组织 为最终热处理做好准备 如正火 退火和调质等 预备热处理一般安排在粗加 工前 但调质常安排在粗加工后进行 B 消除残余应力处理的目的是消除毛坯制造和切削加工 过程中产生的残余应力 如时效和退火 C 最终热处理的目的是提高零件的力学性能 如强度 硬度 耐磨性等 如调质 淬火 回火以及各种表面处理 一般安排在精加工前 本零件的主要功用是传递动力 其工作时需承受较大的冲击载荷 要求有较高的强度和韧 性 故需要进行渗碳淬火回火热处理 3 冷挤压加工的安排原则 将事先准备好的毛胚经过粗加工 磷化处理后放入模具进行 挤压成型 在挤压过程中 轴的垂直不弯曲以及粗糙度要求都要考虑在内 4 辅助工序的安排 辅助工序包括检验 去毛刺 清洗 防锈等检验 除了工序中自检 外 还需在下列场合单独安排检验工序 a 重要工序前后 b 送往外车间加工之前 c 全部加 工工序完成 去毛刺之后 有些特殊去毛刺常安排在下列场合进行 a 淬火工序之前 b 全部 加工工序结束之后 3 5 限制局部挤压镦粗办法 在开模挤压齿轮时 当入模角及硬度等一些参数选择不合理时 在入模口处出现坯料局部 墩粗现象 如图 4 2 所示 为了避免这种现象的发生 这就使开模挤压成形时有了约束条件 式中 P 坯料横截面上的单位挤压力 坯料的屈服强度 s s P 毕业设计 论文 报告纸 共 28 页 第 18 页 装 订 线 图 3 2 局部镦粗示意图 挤压齿轮轴时出现入模口处的局部镦粗 是由于坯料横截面上的单位挤压力值大于材料的 屈服强度值造成的 而影响P的主要因素是入模半角 摩擦系数m 齿轮断面收缩率R A 和坯 料半径 其中最主要的可变化影响参数为 另外 材料的随其硬度的变化而变化 而材 0 R 料硬度的大小又取决于它的热处理方式 热处理温度和时间 通过上限法计算可知 在其他参 数一定时入模半角存在一个范围 在其范围内满足具有挤压的可成形性 并且随着其他 s p 参数的改变 这个范围也发生变化 为了满足成形条件 和是两个重要的可调参数 硬度一定时 通过改变 使其小于 s 临界半角 从而满足 如果零件的尺寸不能过小 这样引起 P 值增大 则可调节 cr s p 硬度来满足条件 在实际工程设计中 由于零件尺寸要求 花键入模口的锥面不能过长 这使得值较大 从而 产生局部镦粗现象 需要在模具入口处附加一段引导长度 当较大时 使得入口 0 L s p 处坯料产生塑性变形 即发生局部鼓出的非接触性变形 当没有引导长度限制时 镦粗会继 0 L 续增大 而有引导长度的直壁限制 会使径向鼓出的金属得到抑制 发生粘模现象 金属沿更 易流动的面发生剪切流动 而大于角的金属则变为死区金属 由于使得模具在轴向 1 a 1 aaa 1 上有了高度差即的极限值 引导长度只有大于时才足以限制镦粗的发生 0 L lim0 L lim0 L 经计算得 毕业设计 论文 报告纸 共 28 页 第 19 页 装 订 线 mm RRRR L5 arctanarctan 21 1 21 lim0 图 3 3 引导区长度解析模型 3 6 拟定加工工艺路线方案 该零件是批量生产 可以采用机床配以专用夹具 工序以分散为主 某些工序可以适当集 中应划分加工阶段 将粗加工和精加工分开 刀具和量具的选择可以专用的与适用的相结合 根据以上分析 初步拟订的工艺路线方案如下 1 备料选毛坯 2 热处理 3 粗车外圆 4 挤压成型 5 割槽 倒角 车螺纹 6 倒棱去毛刺 7 检验入库 工艺卡工艺卡 表 3 1 齿轮轴冷挤压加工工艺过程卡片 南京工业职 业技术学院 机械工程系 齿轮轴加工工艺过 程卡片 产品型号 零件图 号 共 1 页 毕业设计 论文 报告纸 共 28 页 第 20 页 装 订 线 产品名称 齿轮 轴 零件名 称 齿轮 轴 第 1 页 材料 牌号 10 毛坯 种类 模锻 毛坯 外形 尺寸 42 4mm 18 9mm 每件毛坯可制 件数 1 每台件 数 1 工时 工序 号 工序 名称 工序内容车间工段设备工艺装备 准终 单 件 10备料模锻 20 热 处 理 退火处理热处理箱式炉 30 车车两端面 及其外 圆表面 金工 卧式车 床 车刀 40 磷 皂化 处理 工件进行进行磷皂 化处理 磷皂化 槽 50 一 次挤 压 成型齿轮 15mm 轴段 13mm 口 10X10 及前端 10mm 金工压力机模具 毕业设计 论文 报告纸 共 28 页 第 21 页 装 订 线 60 割槽割槽 2 2 2 1 金工 卧式车 床 割刀 70 倒角1X45 度 金工 卧式车 床 外圆车刀 80 车 螺纹 M10X1 7h 金工 卧式车 床 螺纹车刀 90 去毛 刺 金工锉刀 100 检检验 质检室 千分尺 游标卡尺 表 3 2 车削加工工艺卡 单位 名称 加工工艺卡产品名称代号零件名称零件图号 工序 号 程序编号夹具名称使用设备车削 工 步 工步 内容 刀具 号刀具名称主轴转 速 进给速度背吃刀 量 备注 1 粗车右端面及外 圆 T01 93 外 圆车刀 5000 150 5 2 粗车左端面及外 圆 T01 93 外 圆车刀 5000 150 5 毕业设计 论文 报告纸 共 28 页 第 22 页 装 订 线 3 割槽 T02 割刀 300 4 倒角 T01 93 外 圆车刀 500 5 车螺纹 T04 螺纹车 刀 300G32 6 去毛刺锉刀 编 制 审核批准日期 3 7 冷挤压关键技术研究 3 7 1 冷挤压前期出来 为了提高毛坯的塑性 降低其硬度和变形抗力 在挤压之前需要对毛坯进行软化处理 坯 料处理的第一步就是退火 其目的在于软化材料 使金属的冷成形在较小的压力下进行 一般 要把材料处理到其延展性最高 硬度最低 3 7 2 冷挤压成形中的润滑 在冷挤压中 为了降低坯料与模具之间的摩擦 减小模具磨损 延长模具使用寿命 改善 和提高挤压零件的表面质量 必须采取有效的润滑手段 目前在碳素钢冷挤压中广泛采用磷化 皂化处理的润滑方法 磷化 就是将经过除油和酸洗 表面洁净的钢料放入磷酸锰铁盐或磷 酸二氢锌水溶液中 是金属与磷酸相互作用生成不溶于水的磷酸盐膜层的过程 膜层的主要成 分是磷酸铁和磷酸锌 膜层厚度一般为 10 15 微米 摩擦系数一般在 0 05 以下 磷酸盐膜层有细小片状结晶组成 它坚实的粘附在钢材表面 与其牢固地结合在一起 这 层膜层相当软 耐热 呈多孔状态 对润滑剂具有相当高的吸附作用 这种膜层还具有一定的 塑性 能同钢坯一起塑性变形 由于它同钢的坚固结合 或者由于它实际上具有成为钢坯一部 分的性质 所以在挤压时 遇到高的压力也能够承受得住 不会剥落 它能够在变形金属与模 具之间起非金属隔离层的作用 防止金属与模具的直接接触 减少表面摩擦和防止模具的磨损 擦伤和粘结 磷化膜本身的摩擦系数并不低 因此磷酸盐处理不能单独使用 在磷化的基础上 普遍采 用皂化处理 皂化时 皂液深深地渗入到磷化层的毛细孔内 并且一部分达到基体金属 肥皂 毕业设计 论文 报告纸 共 28 页 第 23 页 装 订 线 同时和晶体表面形成锌皂 皂化后的润滑层的厚度 取决于不同挤压工序的不同需要 在挤压 阶梯形及深孔零件时 润滑层的连续性是否被破坏和转角处还残留有多少润滑膜 是判定润滑 处理优劣的重要标志 如果在零件的局部或转角部位出现发亮的现象 说明该处无润滑膜存在 产生的主要原因是润滑膜的连续性遭到破坏或工艺方案及模具形状设计不合理 典型的磷化 皂化处理基本过程为 除油 冷水洗 热水洗 酸洗 冷 水洗 热水洗 磷化 冷水洗 热水洗 中和 皂化 干燥 10钢毛坯润滑处理的方法 主要是磷化 皂化处理工艺 其配方及工艺如下 表 3 3 磷化 皂化处理的基本过程 处理过程处理液处理时间 分 温度 1 除油 氢氧化钠60 100克 升 碳酸钠60 80克 升 磷酸钠25 80克 升 水玻璃10 15克 升 1 5 85 2 冷水洗 3 热水洗 4 酸洗 1 盐酸150 200克 升 温 2 硫酸18 24 含量 3 混酸 硝酸 硫酸 水 3 l 3 2 5 5 10 2 5 秒 室温 70 80 室温 5 冷水洗 6 热水洗 7 磷化 1 酸式磷酸锰 2 磷酸二氢锌 20 30 20 30 70 80 70 80 毕业设计 论文 报告纸 共 28 页 第 24 页 装 订 线 8 冷水洗 9 热水洗 10 中和 1l皂化 12 干燥 稀肥皂20 40克 升 1 工业肥皂 2 硬脂酸钠 1 3 20 30 20 30 干燥为止 60 80 60 70 60 70 80 130 毕业设计 论文 报告纸 共 28 页 第 25 页 装 订 线 第 4 章 总结 通过对齿轮轴冷挤压技术的研究 可以得出以下结论 1 冷挤压技术是一项很有发展前途的金属成型工艺 冷挤压方法不仅可用于生产成批有色 金属