1 引 言
驅動齒輪是汽車電機中一個重要零件，其形狀及尺寸如圖1所示。過去，加工驅動齒輪的工藝是：首先在3 000kN摩擦壓力機上鍛坯，然后進行車削，最后加工齒形。由于零件結構的特點，齒形的加工只能采用插齒的方法，而且在插齒前，還需要加工退刀槽。這樣，不僅材料消耗多，加工工時長，而且零件強度也不高，所以這種加工工藝比較落后。
圖1 驅動齒輪零件
隨著汽車工業的迅速發展，冷模鍛的應用愈來愈多。除了具有較高的精度以外，更迫切的是要解決復雜的形狀，同時還要不斷提高制件的內在質量，減少原材料的消耗及機械加工工時，提高生產率，降低產品成本。
冷模鍛技術是近年來研制和推廣應用的一項新型模鍛工藝。其基本原理是在封閉的型腔中，采用上下模具對毛坯進行鐓粗—擠壓成形。它可使毛坯在鍛壓設備一次行程中獲得形狀復雜的無毛邊鍛件，其尺寸精度及材料利用率均顯著提高，同時省去鍛后的切邊工序，降低能耗，生產率也隨之提高。
2 工藝分析
驅動齒輪零件材料為中高強度合金鋼20CrMnTi，其供應狀態強度高、變形抗力大、塑性較差，存在加工硬化現象，難以進行大變形量的冷模鍛成形。但若對毛坯進行充分軟化退火處理，以降低變形抗力和提高塑性指標，采用冷模鍛成形工藝是完全可行的。
冷模鍛成形工藝的成形尺寸精度可達IT7～IT8級，表面粗糙度可達Ra=0.4～0.8μm。本驅動齒輪直齒的齒面粗糙度為Ra=1.6μm，因此，采用冷模鍛成形工藝可滿足該零件的技術要求。
冷模鍛工藝的生產過程是：下料→退火→冷模鍛。整個塑性成形的特點是在單次進行有效的閉式冷模鍛得到所需的制件形狀及尺寸。
3 工藝設計
冷模鍛工藝設計是冷模鍛設計工作的第一步，它直接關系到制件質量、成本、生產效率及模具壽命等。
3.1 冷模鍛件圖的制訂
根據驅動齒輪零件圖及冷模鍛工藝的基本要求，設計時應考慮解決下列問題：
(1)確定分模面位置。為使冷模鍛件容易從模具中取出，并要求獲得鐓粗、擠壓、充填成形的良好效果，同時考慮到開模時制件留在下模，因此，按該零件的形狀，分模面的位置應選擇在最大的外徑處，見圖2中的A－A。
(2)余量、余塊及公差。冷模鍛后需要機械加工的二端平面、退刀槽φ28mm、滾紋槽φ54mm和中心內孔φ46mm等加放余量，而孔徑φ18mm考慮到模具容易斷裂，加放余塊，制成盲孔。考慮到坯料尺寸有公差，故制件的高度兩端面各加放1mm的余量，其它尺寸的公差均在零件的公差范圍內。余量及公差可查閱手冊。
(3)模鍛斜度。為了防止凸模與制件的中心內孔卡住及便于脫模，因此，在φ46mm的內孔處設有模鍛斜度，其值為5°。
(4)圓角半徑。冷模鍛件尖角處的圓角半徑直接影響冷模鍛時的金屬流動、型腔充滿、冷模鍛力、模具磨損和制件轉角處流線切斷等。按該零件的尺寸查閱手冊。
根據以上所得數據，繪制出驅動齒輪冷模鍛件圖，如圖2所示。
圖2 驅動齒輪冷模鍛件圖
3.2 變形速度的選擇
國內外資料及有關試驗指出，要制成直齒齒面的精密形狀，必須采用較高的變形速度才能擠壓成形。因為較高的變形速度可提高金屬塑性的變形程度，原因有二：一是變形速度大于冷加工硬化速度，致使材料可繼續進行塑性變形，不會破裂；二是金屬與模具型腔之間的摩擦系數隨變形速度提高而下降，使金屬流動速度加快，易充填成形，同時也降低了變形抗力，還可減少變形的不均勻性。現采用江蘇海安縣威弘鍛壓機械有限公司制造的CH83－50型液壓模鍛錘，其打擊速度為6m/s(比機械冷擠壓機的速度大3倍以上)，打擊次數60次/min。
3.3 毛坯尺寸的選擇
在驅動齒輪冷模鍛件(圖2)大端直徑φ58mm與直齒端直徑φ40mm之間選定一尺寸作為毛坯的直徑。這一尺寸既能滿足許用變形程度的要求，又要當作毛坯在型腔中的定位尺寸。根據這一設計原則，經所需的體積計算，選定直徑為φ57.8mm，毛坯長度為22mm。
3.4 許用變形程度的計算
采用冷模鍛成形工藝，先要驗算該材料的擠壓許用變形程度，一般用斷面縮減率εF表示。20CrMnTi合金鋼材料的冷擠壓許用變形程度，按實驗資料可得65％～70％。根據本毛坯尺寸，經計算εF=(F0－F1)/F0×100％=45％，小于冷擠壓許用變形程度，通過試驗證實，驅動齒輪可以允許進行冷模鍛成形工藝。
3.5 毛坯制坯處理
根據冷模鍛工藝的要求，必須對毛坯材料進行制坯處理，它包括軟化處理、表面處理及潤滑處理，其工藝介紹如下：
(1)軟化處理。20CrMnTi合金鋼在供應狀態下的硬度大于200HB，材料晶粒粗大不均，塑性較差，變形抗力大，若不經軟化退火處理而直接進行冷模鍛，則成形困難，使制件破壞。因此，為了提高毛坯的塑性，降低其硬度和變形抗力，冷模鍛加工前的毛坯需進行軟化退火處理，其退火規范如圖3所示。經退火后20CrMnTi合金鋼毛坯的硬度為150HB。
圖3 20CrMnTi合金鋼退火規范
(2)表面處理。表面處理是冷模鍛工藝的一道關鍵工序，它對表面質量及模具壽命都有很大的影響。本毛坯采用磷化處理，其化學配方及工藝規范如下：
氧化鋅(ZnO) 9 g/L
磷酸(H3PO4) 23 mL/L
水(H2O) 1 L
總酸度 16～20點
游離酸度 2.5～4.5點
處理溫度 85～95℃
處理時間 30～40min
(3)潤滑處理。潤滑處理的目的是使毛坯在冷模鍛過程中，獲得適合于塑性流動的變形條件，提供有足夠韌性，能經受重壓而不致損壞的潤滑層，以降低模具載荷、減少磨損，延長模具使用壽命。本毛坯采用皂化處理，其配方及工藝如下：
硬脂酸鈉(C17H35COONa) 5～9 g/L
水(H2O) 1 L
處理溫度 60～70℃
處理時間 10min
4 冷模鍛模具設計
為了在液壓模鍛錘的鍛模中可進行生產，設計了錘鍛模的頂出裝置。驅動齒輪冷模鍛模具結構如圖4所示。
圖4 驅動齒輪冷模鍛模具結構
該模具結構分上、下兩部分。模具型腔由凸模3、上凹模15、下凹模13和下頂桿鑲塊10組成。上、下模座1、7的導向完全靠3根導柱11的尺寸精度予以保證。
工作過程是：經軟化退火處理的毛坯放入上凹模15中進行冷模鍛。當滑塊回程時，因制件14齒面的接觸面要比其內孔的接觸面大，再加上凸模3上的模鍛斜度，所以冷模鍛后的制件14是留在凹模內，然后再放入圓形頂塊5，鍛錘打擊該頂塊，通過推桿6、杠桿9及下頂桿鑲塊10，使制件14從上凹模15中頂出，才能取出制件14。
在設計制造模具和冷模鍛成形工藝過程中應注意如下幾個問題：
(1)上、下模承擊面的尺寸必須要適當放大，應符合冷模鍛單位壓力的技術條件。其材料及熱處理的要求都需具有較高的沖擊韌性及耐磨性，故采用Cr12MoV合金模具鋼，型腔表面低溫氮碳共滲處理后的硬度為58～60HRC。
(2)下頂桿鑲塊與杠桿之間、杠桿與推桿之間的接觸面盡量保證平整光滑，設計時避免曲率半徑過大。盡量增大有效尺寸，防止塑性變形及斷裂。
(3)下頂桿鑲塊和凹模墊塊滑動配合合理的情況下，盡量縮小兩者間的配合間隙。因為間隙過大，制件會產生周邊縱向毛刺。
(4)金屬毛坯在高速成形時，往往毛坯在凹模型腔內先封閉，集聚在直齒型腔內的空氣無法排出而產生很大的壓力，阻止金屬充滿型腔，故必須在直齒頂端型腔上開設直徑φ1mm的排氣孔。
(5)冷模鍛成形后，放入圓形頂塊，錘擊要輕，以免下頂桿鑲塊過早斷裂。
5 結束語
在當今汽車廣泛使用的情況下，追求產品價格及質量的競爭日益激烈。采用先進的高速冷模鍛成形技術是一項行之有效的最佳途徑，它既能提高產品質量及材料利用率，又可減少機械加工工時，從而降低了產品成本，經濟效益顯著。
