汽车齿轮冷挤压工艺的设计与改进

合肥市建元机械有限责任公司 （安徽 230001） 金林奎 王春亮 赵建国

1.概述说明

（1）齿轮冷挤压锻造 是一种少无切削加工工艺，材料利用率高，生产效率高，成本费用较低，适宜于大批量生产等特点。从国外发达工业地区来看，齿轮精锻生产工艺，已经过一个从热模锻到冷挤压的发展过程。目前我国正处在从热模锻向冷挤压生产工艺发展阶段。

（2）齿轮热模锻生产工艺 适用于精度要求较低的拖拉机、农用机械等方面齿轮件。对于汽车齿轮，由于精度要求较高，需采用冷挤压加工工艺。国外发达国家和地区生产汽车齿轮，大都采用冷挤压加工工艺，如日本、德国、美国等，而亚洲地区普遍采用热模锻及温精整工艺生产汽车齿轮。

根据本公司现有生产技术水平，并参考国内外有关经验，采用冷挤压加工工艺生产汽车齿轮。首先产品精度能有效提高，其精度完全由模具来保证，其次能充分利用现有大部分生产设备及生产技术，并适合于大批量生产需要，且无需加热，产品无飞边，加工余量少，减少多道切削加工工序，因而节能节材效果进一步提高。

2.生产过程

现有工艺流程：锯床下料→车外圆、倒角→球化退火→检验→磷皂化处理→冷挤压→检验→粗加工→热处理→检验→精加工→检验→成品。以下只呈述冷挤压加工流程及控制。

（1）锯床下料 原材料准备，必须经过化学分析、金相检验、力学性能检测合格后，方可投入下料工序进行锯床下料。冷挤压加工要求的下料精度较高，坯料重量误差要求一般控制在1%左右。下料设备应该采用高精度带锯床，或者采用高速圆盘锯片进行加工。锯床锯条厚度为0.90～1.00mm，锯条或锯片缝隙为1.00～2.00mm，下料尺寸精度为±0.15mm，端面与轴线垂直度为0.10mm。

（2）切削加工 为保证坯料表面质量，坯料表面不得有氧化脱碳、裂纹、折叠、划伤、拉筋等缺陷，因此必须对坯料外圆进行切削加工。必要时采用无心磨床，生产效率高，更加能够有效控制坯料的重量误差，进一步降低坯料的表面粗糙度值，表面粗糙度值应控制在Ra=1.6μm下。磨削加工时，必须保证坯料表面质量，特别注意避免坯料表面磨削烧伤。

（3）球化退火 坯料在冷挤压前需进行球化退火处理，降低坯料硬度，提高工件的冷加工变形能力，改善金相组织，为后期热处理提供保障。球化退火目的是为了使原始的片状珠光体中片状碳化物发生球化，转化为球状的碳化物颗粒，形成铁素体基体上弥散分布颗粒状碳化物的球状珠光体，显著提高坯料冷加工变形能力。球化退火处理，通常采用井式炉改装的半真空装置，预抽真空，充氮气保证炉内压力，同时滴加甲醇作为保护气氛，防止工件氧化脱碳，影响冷挤压加工产品的表面质量。

（4）金相检验 球化退火处理的产品，检查项目包括球化组织、球化硬度、表面脱碳层及晶粒度的测量与评定。其中球化组织的好坏，直接影响坯料的冷挤压效果，球化退火的温度不足和温度过高，都会残留一部分片状珠光体，使冷加工变形能力显著下降，影响坯料的表面质量，甚至造成表面冷挤压开裂。球化硬度偏高，表面脱碳层超标，晶粒粗大等缺陷同样会影响坯料的表面质量。

（5）表面处理 磷皂化是对坯料表面处理的一项重要措施，不仅能提高坯料防锈能力，且在磷化处理过程中，坯料表面形成微孔，能够储存一定量的润滑剂，提高冷挤压的材料形变效果，增强坯料表面精度，有效地减少变形时的摩擦阻力和变形抗力，延长模具寿命，提高冷挤锻件的质量。

（6）冷挤加工 是一种采用模锻生产技术，进行批量生产精密锻件，最行之有效的方法。这就要求模具整体结构简约，生产成本低。冷挤压工艺挤压力和工作行程大，所需变形能量大，模具型腔必须精度高，导流性好。冷挤压时，仅靠模具立柱和套管导向是不能满足要求的，必须加强冷挤压机床的床身和轴轮刚性。同时模具材料也应具有较高强韧性，保证使用寿命长。模具结构互换性好，模板才能容易更换。工作时按不同零件或不同变形程度，所需能量进行调节，以便经济合理地使用设备，同时也有利于提高模具寿命。冷挤压机床设备，应具备超载保险安全防护装置。

3.设备选型

（1）冷挤压加工工艺 目前成形的方法主要有两种。一种是选用模具法，另一种是选用设备法，两种方法相比较，选用设备法生产的产品精度更高，模具的使用寿命更长，整个过程中生产加工的成本更低。

选用模具法：在冷挤压设备上，采用通用模架和可互换的模具镶块，构成可拆分的模具组合结构装置。这种方式进行冷挤压生产加工，具有充分利用机床设备利用率，模具制造费用不高，生产周期短及生产效率高等优势。但模具结构一般较复杂，出模率可靠性较低，并且难以调整。同时机床设备能量与设备刚性，一般均不适合冷挤压变形的需要，不适合大批量生产的要求。目前国内大多数冷挤压件，小批量生产时仍沿用这种方式。

选用设备法：冷挤压要求设备强度高及能量大，且要有双向滑动结构，上下端面同时出料的装置。此工艺的模具设计结构简单，模具通用件较多，互换比较容易，出料可靠并且方便快捷，而且设备易于调整，模具寿命显著提高。双向滑动的冷挤压设备，分机械式和液压式两种形式，前者适合中小型件的冷挤压加工，后者适合大型件的冷挤压加工。但两者对下料精度允许的误差要求不一样，机械式压机对坯料重量误差要求较高，模具设计不当时，易损坏模具，而液压式压机可通过设定压力吨位，能够达到保护模具的作用。

（2）拉杆式双动压力机冷挤压 目前还很少有专用于冷挤压加工，双动机械式和液压式压机，但一些工厂采用拉杆式双动压力机作为冷挤压设备。发达工业国家均已采用专用双动冷挤压设备生产汽车齿轮产品，这类设备的生产效率高，模具制造简便，有利于大批量加工。本公司生产汽车及摩托车冷挤压配件，年保有生产量达300万件，批量较大。冷挤压加工工序是关键工序，需采用专用双动冷挤压设备生产，有效地保障批量生产及产品质量。

目前本公司使用的双动冷挤压液压机床，设备生产工艺及技术能力的主要技术参数为：①工作油缸。为了保证冷挤压产品的表面精度和齿面密实，冷挤压机床的使用压力，可以在1～10MN范围内调整。机床设备的最大行程控制在300mm左右。模具整体的闭合高度为1000mm。根据生产节拍的要求，工作速度在100～300mm/s之间。为了提高生产率，冷挤压机床在一个工作周期后，其回程速度达300mm/s。②挤压油缸。在冷挤压过程中，经常有锻件挤压不密实的问题，这就需要保证挤压油缸的工作压力，应使挤压油缸的工作压力维持在1～10MN范围内。拉杆的行程直接影响产品尺寸，拉杆的行程必须在90mm以上。根据设备的使用要求，油缸加压速度应维持在20～40mm/s之间。挤压油缸的回程速度也不能过低，也应达到100mm/s以上。③顶件油缸。冷挤压机床的顶件油缸，是为了保证产品出料速度，上下顶件的预应力，应能分别达到300kN和1000kN。拉杆行程应可以调整，根据工件尺寸，拉杆行程调节在5～90mm。顶件速度相对来说应慢一些，正常保持在50mm/s最为合理。为提高生产效率，回程速度应该快一些，也应达到100mm/s以上。

该设备自动化程度较高，能够自动编制计算机程序，并且安装有各种数据显示装置，以便及时调整机床参数，使冷挤压产品的质量更加稳定。根据产品零件的大小及形状要求，预先设定压力值。既能经济合理使用设备，又有利于提高模具寿命，另外还配有自动分料、送料、取料装置，极大地提高生产效率。

4.设计改造

（1）锻坯产品精度，由热精锻8DC级以下提高到7DC级以上。齿面粗糙度值由Ra＝6.3μm降到Ra=1.6μm。锻坯产品金相组织和力学性能，均得到很大程度的提高。晶粒度由原来5级提高到7级以上。同时避免了因热模锻冷速过快，形成粒状贝氏体等非平衡组织带来的组织遗传，消除了组织粗大的隐患。工件表面杜绝了氧化脱碳现象，能够使后期渗碳淬火处理的产品得到质量保证。

（2）采用冷挤压加工工艺，显著减少制坯程序，可使模锻工序由原有的4道程序，减少到现在2道程序，同时省去了粗切削加工工序。冷挤压生产效率在原有基础上提高了5倍以上，劳动生产率得到大幅增长。材料利用率进一步提高，齿轮产品零件材料利用率，由原来热模锻工艺60%左右，提高到冷挤压工艺80%以上。

（3）热模锻模具受急热急冷交变热应力影响，极易造成热疲劳开裂和磨损失效。毛坯氧化皮及变形时金属强烈流动，对热模锻模具的磨损非常严重，模具寿命较低，每只模具只能加工工件8000件左右，而冷挤压过程中模具温度保持在200℃以下，模具散热基本平衡，模具寿命得到提高，每只模具均能加工工件达2万件以上。

（4）热精锻产品的表面质量及组织性能都比较低，只能用于拖拉机、农用机械等产品，其附加值较低。冷挤压产品由于精度得到大幅提高，适合汽车产品的高性能要求，其附加值也较高。按年产量300万件计算，初步估算平均每只齿轮价格高10元以上，可增创利税达3000多万元以上。

（5）通过在专用冷挤压设备，采用可拆分模具进行冷挤压加工，对汽车齿轮产品的改造设计，产品质量明显提高，经济效益显著增长，其高附加值带来的直接经济效益非常可观。

5.问题改进

（1）热模锻生产中，一般采用热轧棒料，其横截面偏差的平均值为5%以上，而冷挤压产品对毛坯精度要求高，同时对下料锯床本身的精度、锯切时棒料定位精度有很高要求。若严格满足冷挤压对毛坯精度的要求，必然导致锯床下料难度的增加，以及加工生产成本的提高。因此要想节约成本，就必须从管理上下功夫，节能降耗，精益生产。

（2）冷挤压加工毛坯的体积大于锻件体积时，多余金属分流问题，目前主要有两种解决方式：一种是模具上方设分流腔，另一种是在锻件高度方向允许有较大的偏差。但前者增加了模具的复杂性，后者不适合在曲轴压力机上使用。这就需要毛坯精度一定要达到规定要求，同时还要求模具设计的合理性，冷挤压机床性能的稳定性，机床保证有足够的压力。

（3）冷锻预成形工序的设计问题，大多数冷挤压件，一般大都是采用一次成形，只有少数复杂零件，或受设备工作条件限制，需冷锻预成形的工序。但事实上，冷挤压次数和工序间半成品尺寸大小，是根据允许变形的挤压变形程度确定，否则毛坯一次变形量太大，单位应力太大，金属流变引起的组织温升，使锻件整体温度不均匀，影响产品精度和内在质量。工序设计同时还涉及到原始毛坯尺寸大小，使用设备性能，模具抗疲劳性能及寿命等方面。冷锻预成形工序过多，生产效率下降，成本就会成倍增加。

（4）模具寿命与冷挤压工艺制订有关。同时与模具结构及材料选用，润滑系统及冷却系统等因素有直接关系。冷挤压过程中，模具受到的挤压应力，导致模具型腔磨损及开裂的疲劳失效。模具寿命往往偏低，不利于降低生产成本及提高劳动生产率。为此，冷挤压工艺要在生产中普及和推广，首先要解决专用冷挤压设备的性能问题，然后是模具材料处理及模具使用寿命问题。对于生产设备问题，应采用专用液压机，由于液压机床的稳定性，使模具寿命显著提高。

（5）目前冷挤压用国产系列液压机上，需要通过使用一种简易的成本不高的通用模具辅助装置，达到专用双动液压机的效果。锻压设备制造厂家和广大工程技术人员，都在进一步探索和研究。同时提高模具组织性能及使用寿命，除了在冷挤压工艺及模具设计上充分考虑外，模具钢材料性能的选用和处理，以及新型模具钢材料的研制，也有待于我国冶金行业有关技术部门的进一步探索和发展。