汽車齒輪冷擠壓工藝的設計與改進

合肥市建元機械有限責任公司 （安徽 230001） 金林奎 王春亮 趙建國

1.概述說明

（1）齒輪冷擠壓鍛造 是一種少無切削加工工藝，材料利用率高，生產效率高，成本費用較低，適宜于大批量生產等特點。從國外發達工業地區來看，齒輪精鍛生產工藝，已經過一個從熱模鍛到冷擠壓的發展過程。目前我國正處在從熱模鍛向冷擠壓生產工藝發展階段。

（2）齒輪熱模鍛生產工藝 適用于精度要求較低的拖拉機、農用機械等方面齒輪件。對于汽車齒輪，由于精度要求較高，需采用冷擠壓加工工藝。國外發達國家和地區生產汽車齒輪，大都采用冷擠壓加工工藝，如日本、德國、美國等，而亞洲地區普遍采用熱模鍛及溫精整工藝生產汽車齒輪。

根據本公司現有生產技術水平，并參考國內外有關經驗，采用冷擠壓加工工藝生產汽車齒輪。首先產品精度能有效提高，其精度完全由模具來保證，其次能充分利用現有大部分生產設備及生產技術，并適合于大批量生產需要，且無需加熱，產品無飛邊，加工余量少，減少多道切削加工工序，因而節能節材效果進一步提高。

2.生產過程

現有工藝流程：鋸床下料→車外圓、倒角→球化退火→檢驗→磷皂化處理→冷擠壓→檢驗→粗加工→熱處理→檢驗→精加工→檢驗→成品。以下只呈述冷擠壓加工流程及控制。

（1）鋸床下料 原材料準備，必須經過化學分析、金相檢驗、力學性能檢測合格后，方可投入下料工序進行鋸床下料。冷擠壓加工要求的下料精度較高，坯料重量誤差要求一般控制在1%左右。下料設備應該采用高精度帶鋸床，或者采用高速圓盤鋸片進行加工。鋸床鋸條厚度為0.90～1.00mm，鋸條或鋸片縫隙為1.00～2.00mm，下料尺寸精度為±0.15mm，端面與軸線垂直度為0.10mm。

（2）切削加工 為保證坯料表面質量，坯料表面不得有氧化脫碳、裂紋、折疊、劃傷、拉筋等缺陷，因此必須對坯料外圓進行切削加工。必要時采用無心磨床，生產效率高，更加能夠有效控制坯料的重量誤差，進一步降低坯料的表面粗糙度值，表面粗糙度值應控制在Ra=1.6μm下。磨削加工時，必須保證坯料表面質量，特別注意避免坯料表面磨削燒傷。

（3）球化退火 坯料在冷擠壓前需進行球化退火處理，降低坯料硬度，提高工件的冷加工變形能力，改善金相組織，為后期熱處理提供保障。球化退火目的是為了使原始的片狀珠光體中片狀碳化物發生球化，轉化為球狀的碳化物顆粒，形成鐵素體基體上彌散分布顆粒狀碳化物的球狀珠光體，顯著提高坯料冷加工變形能力。球化退火處理，通常采用井式爐改裝的半真空裝置，預抽真空，充氮氣保證爐內壓力，同時滴加甲醇作為保護氣氛，防止工件氧化脫碳，影響冷擠壓加工產品的表面質量。

（4）金相檢驗 球化退火處理的產品，檢查項目包括球化組織、球化硬度、表面脫碳層及晶粒度的測量與評定。其中球化組織的好壞，直接影響坯料的冷擠壓效果，球化退火的溫度不足和溫度過高，都會殘留一部分片狀珠光體，使冷加工變形能力顯著下降，影響坯料的表面質量，甚至造成表面冷擠壓開裂。球化硬度偏高，表面脫碳層超標，晶粒粗大等缺陷同樣會影響坯料的表面質量。

（5）表面處理 磷皂化是對坯料表面處理的一項重要措施，不僅能提高坯料防銹能力，且在磷化處理過程中，坯料表面形成微孔，能夠儲存一定量的潤滑劑，提高冷擠壓的材料形變效果，增強坯料表面精度，有效地減少變形時的摩擦阻力和變形抗力，延長模具壽命，提高冷擠鍛件的質量。

（6）冷擠加工 是一種采用模鍛生產技術，進行批量生產精密鍛件，最行之有效的方法。這就要求模具整體結構簡約，生產成本低。冷擠壓工藝擠壓力和工作行程大，所需變形能量大，模具型腔必須精度高，導流性好。冷擠壓時，僅靠模具立柱和套管導向是不能滿足要求的，必須加強冷擠壓機床的床身和軸輪剛性。同時模具材料也應具有較高強韌性，保證使用壽命長。模具結構互換性好，模板才能容易更換。工作時按不同零件或不同變形程度，所需能量進行調節，以便經濟合理地使用設備，同時也有利于提高模具壽命。冷擠壓機床設備，應具備超載保險安全防護裝置。

3.設備選型

（1）冷擠壓加工工藝 目前成形的方法主要有兩種。一種是選用模具法，另一種是選用設備法，兩種方法相比較，選用設備法生產的產品精度更高，模具的使用壽命更長，整個過程中生產加工的成本更低。

選用模具法：在冷擠壓設備上，采用通用模架和可互換的模具鑲塊，構成可拆分的模具組合結構裝置。這種方式進行冷擠壓生產加工，具有充分利用機床設備利用率，模具制造費用不高，生產周期短及生產效率高等優勢。但模具結構一般較復雜，出模率可靠性較低，并且難以調整。同時機床設備能量與設備剛性，一般均不適合冷擠壓變形的需要，不適合大批量生產的要求。目前國內大多數冷擠壓件，小批量生產時仍沿用這種方式。

選用設備法：冷擠壓要求設備強度高及能量大，且要有雙向滑動結構，上下端面同時出料的裝置。此工藝的模具設計結構簡單，模具通用件較多，互換比較容易，出料可靠并且方便快捷，而且設備易于調整，模具壽命顯著提高。雙向滑動的冷擠壓設備，分機械式和液壓式兩種形式，前者適合中小型件的冷擠壓加工，后者適合大型件的冷擠壓加工。但兩者對下料精度允許的誤差要求不一樣，機械式壓機對坯料重量誤差要求較高，模具設計不當時，易損壞模具，而液壓式壓機可通過設定壓力噸位，能夠達到保護模具的作用。

（2）拉桿式雙動壓力機冷擠壓 目前還很少有專用于冷擠壓加工，雙動機械式和液壓式壓機，但一些工廠采用拉桿式雙動壓力機作為冷擠壓設備。發達工業國家均已采用專用雙動冷擠壓設備生產汽車齒輪產品，這類設備的生產效率高，模具制造簡便，有利于大批量加工。本公司生產汽車及摩托車冷擠壓配件，年保有生產量達300萬件，批量較大。冷擠壓加工工序是關鍵工序，需采用專用雙動冷擠壓設備生產，有效地保障批量生產及產品質量。

目前本公司使用的雙動冷擠壓液壓機床，設備生產工藝及技術能力的主要技術參數為：①工作油缸。為了保證冷擠壓產品的表面精度和齒面密實，冷擠壓機床的使用壓力，可以在1～10MN范圍內調整。機床設備的最大行程控制在300mm左右。模具整體的閉合高度為1000mm。根據生產節拍的要求，工作速度在100～300mm/s之間。為了提高生產率，冷擠壓機床在一個工作周期后，其回程速度達300mm/s。②擠壓油缸。在冷擠壓過程中，經常有鍛件擠壓不密實的問題，這就需要保證擠壓油缸的工作壓力，應使擠壓油缸的工作壓力維持在1～10MN范圍內。拉桿的行程直接影響產品尺寸，拉桿的行程必須在90mm以上。根據設備的使用要求，油缸加壓速度應維持在20～40mm/s之間。擠壓油缸的回程速度也不能過低，也應達到100mm/s以上。③頂件油缸。冷擠壓機床的頂件油缸，是為了保證產品出料速度，上下頂件的預應力，應能分別達到300kN和1000kN。拉桿行程應可以調整，根據工件尺寸，拉桿行程調節在5～90mm。頂件速度相對來說應慢一些，正常保持在50mm/s最為合理。為提高生產效率，回程速度應該快一些，也應達到100mm/s以上。

該設備自動化程度較高，能夠自動編制計算機程序，并且安裝有各種數據顯示裝置，以便及時調整機床參數，使冷擠壓產品的質量更加穩定。根據產品零件的大小及形狀要求，預先設定壓力值。既能經濟合理使用設備，又有利于提高模具壽命，另外還配有自動分料、送料、取料裝置，極大地提高生產效率。

4.設計改造

（1）鍛坯產品精度，由熱精鍛8DC級以下提高到7DC級以上。齒面粗糙度值由Ra＝6.3μm降到Ra=1.6μm。鍛坯產品金相組織和力學性能，均得到很大程度的提高。晶粒度由原來5級提高到7級以上。同時避免了因熱模鍛冷速過快，形成粒狀貝氏體等非平衡組織帶來的組織遺傳，消除了組織粗大的隱患。工件表面杜絕了氧化脫碳現象，能夠使后期滲碳淬火處理的產品得到質量保證。

（2）采用冷擠壓加工工藝，顯著減少制坯程序，可使模鍛工序由原有的4道程序，減少到現在2道程序，同時省去了粗切削加工工序。冷擠壓生產效率在原有基礎上提高了5倍以上，勞動生產率得到大幅增長。材料利用率進一步提高，齒輪產品零件材料利用率，由原來熱模鍛工藝60%左右，提高到冷擠壓工藝80%以上。

（3）熱模鍛模具受急熱急冷交變熱應力影響，極易造成熱疲勞開裂和磨損失效。毛坯氧化皮及變形時金屬強烈流動，對熱模鍛模具的磨損非常嚴重，模具壽命較低，每只模具只能加工工件8000件左右，而冷擠壓過程中模具溫度保持在200℃以下，模具散熱基本平衡，模具壽命得到提高，每只模具均能加工工件達2萬件以上。

（4）熱精鍛產品的表面質量及組織性能都比較低，只能用于拖拉機、農用機械等產品，其附加值較低。冷擠壓產品由于精度得到大幅提高，適合汽車產品的高性能要求，其附加值也較高。按年產量300萬件計算，初步估算平均每只齒輪價格高10元以上，可增創利稅達3000多萬元以上。

（5）通過在專用冷擠壓設備，采用可拆分模具進行冷擠壓加工，對汽車齒輪產品的改造設計，產品質量明顯提高，經濟效益顯著增長，其高附加值帶來的直接經濟效益非常可觀。

5.問題改進

（1）熱模鍛生產中，一般采用熱軋棒料，其橫截面偏差的平均值為5%以上，而冷擠壓產品對毛坯精度要求高，同時對下料鋸床本身的精度、鋸切時棒料定位精度有很高要求。若嚴格滿足冷擠壓對毛坯精度的要求，必然導致鋸床下料難度的增加，以及加工生產成本的提高。因此要想節約成本，就必須從管理上下功夫，節能降耗，精益生產。

（2）冷擠壓加工毛坯的體積大于鍛件體積時，多余金屬分流問題，目前主要有兩種解決方式：一種是模具上方設分流腔，另一種是在鍛件高度方向允許有較大的偏差。但前者增加了模具的復雜性，后者不適合在曲軸壓力機上使用。這就需要毛坯精度一定要達到規定要求，同時還要求模具設計的合理性，冷擠壓機床性能的穩定性，機床保證有足夠的壓力。

（3）冷鍛預成形工序的設計問題，大多數冷擠壓件，一般大都是采用一次成形，只有少數復雜零件，或受設備工作條件限制，需冷鍛預成形的工序。但事實上，冷擠壓次數和工序間半成品尺寸大小，是根據允許變形的擠壓變形程度確定，否則毛坯一次變形量太大，單位應力太大，金屬流變引起的組織溫升，使鍛件整體溫度不均勻，影響產品精度和內在質量。工序設計同時還涉及到原始毛坯尺寸大小，使用設備性能，模具抗疲勞性能及壽命等方面。冷鍛預成形工序過多，生產效率下降，成本就會成倍增加。

（4）模具壽命與冷擠壓工藝制訂有關。同時與模具結構及材料選用，潤滑系統及冷卻系統等因素有直接關系。冷擠壓過程中，模具受到的擠壓應力，導致模具型腔磨損及開裂的疲勞失效。模具壽命往往偏低，不利于降低生產成本及提高勞動生產率。為此，冷擠壓工藝要在生產中普及和推廣，首先要解決專用冷擠壓設備的性能問題，然后是模具材料處理及模具使用壽命問題。對于生產設備問題，應采用專用液壓機，由于液壓機床的穩定性，使模具壽命顯著提高。

（5）目前冷擠壓用國產系列液壓機上，需要通過使用一種簡易的成本不高的通用模具輔助裝置，達到專用雙動液壓機的效果。鍛壓設備制造廠家和廣大工程技術人員，都在進一步探索和研究。同時提高模具組織性能及使用壽命，除了在冷擠壓工藝及模具設計上充分考慮外，模具鋼材料性能的選用和處理，以及新型模具鋼材料的研制，也有待于我國冶金行業有關技術部門的進一步探索和發展。