1  引  言

驱动齿轮是汽车电机中一个重要零件，其形状及尺寸如图1所示。过去，加工驱动齿轮的工艺是：首先在3 000kN摩擦压力机上锻坯，然后进行车削，最后加工齿形。由于零件结构的特点，齿形的加工只能采用插齿的方法，而且在插齿前，还需要加工退刀槽。这样，不仅材料消耗多，加工工时长，而且零件强度也不高，所以这种加工工艺比较落后。

图1  驱动齿轮零件

随着汽车工业的迅速发展，冷模锻的应用愈来愈多。除了具有较高的精度以外，更迫切的是要解决复杂的形状，同时还要不断提高制件的内在质量，减少原材料的消耗及机械加工工时，提高生产率，降低产品成本。
　　冷模锻技术是近年来研制和推广应用的一项新型模锻工艺。其基本原理是在封闭的型腔中，采用上下模具对毛坯进行镦粗—挤压成形。它可使毛坯在锻压设备一次行程中获得形状复杂的无毛边锻件，其尺寸精度及材料利用率均显著提高，同时省去锻后的切边工序，降低能耗，生产率也随之提高。

2  工艺分析

驱动齿轮零件材料为中高强度合金钢20CrMnTi，其供应状态强度高、变形抗力大、塑性较差，存在加工硬化现象，难以进行大变形量的冷模锻成形。但若对毛坯进行充分软化退火处理，以降低变形抗力和提高塑性指标，采用冷模锻成形工艺是完全可行的。
　　冷模锻成形工艺的成形尺寸精度可达IT7～IT8级，表面粗糙度可达Ra=0.4～0.8μm。本驱动齿轮直齿的齿面粗糙度为Ra=1.6μm，因此，采用冷模锻成形工艺可满足该零件的技术要求。
冷模锻工艺的生产过程是：下料→退火→冷模锻。整个塑性成形的特点是在单次进行有效的闭式冷模锻得到所需的制件形状及尺寸。

3  工艺设计

冷模锻工艺设计是冷模锻设计工作的第一步，它直接关系到制件质量、成本、生产效率及模具寿命等。

3.1  冷模锻件图的制订

根据驱动齿轮零件图及冷模锻工艺的基本要求，设计时应考虑解决下列问题：
　　(1)确定分模面位置。为使冷模锻件容易从模具中取出，并要求获得镦粗、挤压、充填成形的良好效果，同时考虑到开模时制件留在下模，因此，按该零件的形状，分模面的位置应选择在最大的外径处，见图2中的A－A。
　　(2)余量、余块及公差。冷模锻后需要机械加工的二端平面、退刀槽φ28mm、滚纹槽φ54mm和中心内孔φ46mm等加放余量，而孔径φ18mm考虑到模具容易断裂，加放余块，制成盲孔。考虑到坯料尺寸有公差，故制件的高度两端面各加放1mm的余量，其它尺寸的公差均在零件的公差范围内。余量及公差可查阅手册。
　　(3)模锻斜度。为了防止凸模与制件的中心内孔卡住及便于脱模，因此，在φ46mm的内孔处设有模锻斜度，其值为5°。
　　(4)圆角半径。冷模锻件尖角处的圆角半径直接影响冷模锻时的金属流动、型腔充满、冷模锻力、模具磨损和制件转角处流线切断等。按该零件的尺寸查阅手册。
　　根据以上所得数据，绘制出驱动齿轮冷模锻件图，如图2所示。

图2  驱动齿轮冷模锻件图

3.2  变形速度的选择

国内外资料及有关试验指出，要制成直齿齿面的精密形状，必须采用较高的变形速度才能挤压成形。因为较高的变形速度可提高金属塑性的变形程度，原因有二：一是变形速度大于冷加工硬化速度，致使材料可继续进行塑性变形，不会破裂；二是金属与模具型腔之间的摩擦系数随变形速度提高而下降，使金属流动速度加快，易充填成形，同时也降低了变形抗力，还可减少变形的不均匀性。现采用江苏海安县威弘锻压机械有限公司制造的CH83－50型液压模锻锤，其打击速度为6m/s(比机械冷挤压机的速度大3倍以上)，打击次数60次/min。

3.3  毛坯尺寸的选择

在驱动齿轮冷模锻件(图2)大端直径φ58mm与直齿端直径φ40mm之间选定一尺寸作为毛坯的直径。这一尺寸既能满足许用变形程度的要求，又要当作毛坯在型腔中的定位尺寸。根据这一设计原则，经所需的体积计算，选定直径为φ57.8mm，毛坯长度为22mm。

3.4  许用变形程度的计算

采用冷模锻成形工艺，先要验算该材料的挤压许用变形程度，一般用断面缩减率εF表示。20CrMnTi合金钢材料的冷挤压许用变形程度，按实验资料可得65％～70％。根据本毛坯尺寸，经计算εF=(F0－F1)/F0×100％=45％，小于冷挤压许用变形程度，通过试验证实，驱动齿轮可以允许进行冷模锻成形工艺。

3.5  毛坯制坯处理

根据冷模锻工艺的要求，必须对毛坯材料进行制坯处理，它包括软化处理、表面处理及润滑处理，其工艺介绍如下：
　　(1)软化处理。20CrMnTi合金钢在供应状态下的硬度大于200HB，材料晶粒粗大不均，塑性较差，变形抗力大，若不经软化退火处理而直接进行冷模锻，则成形困难，使制件破坏。因此，为了提高毛坯的塑性，降低其硬度和变形抗力，冷模锻加工前的毛坯需进行软化退火处理，其退火规范如图3所示。经退火后20CrMnTi合金钢毛坯的硬度为150HB。

图3  20CrMnTi合金钢退火规范

(2)表面处理。表面处理是冷模锻工艺的一道关键工序，它对表面质量及模具寿命都有很大的影响。本毛坯采用磷化处理，其化学配方及工艺规范如下：
　　氧化锌(ZnO)　　9 g/L
　　磷酸(H3PO4)　　23 mL/L
　　水(H2O)　　1 L
　　总酸度　　 16～20点
　　游离酸度　　2.5～4.5点
　　处理温度　　85～95℃
　　处理时间　　30～40min
　　(3)润滑处理。润滑处理的目的是使毛坯在冷模锻过程中，获得适合于塑性流动的变形条件，提供有足够韧性，能经受重压而不致损坏的润滑层，以降低模具载荷、减少磨损，延长模具使用寿命。本毛坯采用皂化处理，其配方及工艺如下：
     硬脂酸钠(C17H35COONa)　　5～9 g/L
　　水(H2O)　　　　1 L
　　处理温度　　　60～70℃
　　处理时间　　　10min

4  冷模锻模具设计

为了在液压模锻锤的锻模中可进行生产，设计了锤锻模的顶出装置。驱动齿轮冷模锻模具结构如图4所示。

图4  驱动齿轮冷模锻模具结构

该模具结构分上、下两部分。模具型腔由凸模3、上凹模15、下凹模13和下顶杆镶块10组成。上、下模座1、7的导向完全靠3根导柱11的尺寸精度予以保证。
　　工作过程是：经软化退火处理的毛坯放入上凹模15中进行冷模锻。当滑块回程时，因制件14齿面的接触面要比其内孔的接触面大，再加上凸模3上的模锻斜度，所以冷模锻后的制件14是留在凹模内，然后再放入圆形顶块5，锻锤打击该顶块，通过推杆6、杠杆9及下顶杆镶块10，使制件14从上凹模15中顶出，才能取出制件14。
　　在设计制造模具和冷模锻成形工艺过程中应注意如下几个问题：
　　(1)上、下模承击面的尺寸必须要适当放大，应符合冷模锻单位压力的技术条件。其材料及热处理的要求都需具有较高的冲击韧性及耐磨性，故采用Cr12MoV合金模具钢，型腔表面低温氮碳共渗处理后的硬度为58～60HRC。
　　(2)下顶杆镶块与杠杆之间、杠杆与推杆之间的接触面尽量保证平整光滑，设计时避免曲率半径过大。尽量增大有效尺寸，防止塑性变形及断裂。
　　(3)下顶杆镶块和凹模垫块滑动配合合理的情况下，尽量缩小两者间的配合间隙。因为间隙过大，制件会产生周边纵向毛刺。
　　(4)金属毛坯在高速成形时，往往毛坯在凹模型腔内先封闭，集聚在直齿型腔内的空气无法排出而产生很大的压力，阻止金属充满型腔，故必须在直齿顶端型腔上开设直径φ1mm的排气孔。
(5)冷模锻成形后，放入圆形顶块，锤击要轻，以免下顶杆镶块过早断裂。

5  结束语

在当今汽车广泛使用的情况下，追求产品价格及质量的竞争日益激烈。采用先进的高速冷模锻成形技术是一项行之有效的最佳途径，它既能提高产品质量及材料利用率，又可减少机械加工工时，从而降低了产品成本，经济效益显著。