洛阳工学院学报摩托车起动齿轮精密冷锻模具设计刘汀上官林建2，张学宾1（1.洛阳工学院材料科学与工程系，河南洛阳471⑴3；2.华北水利水电学院，河南郑州450000）工艺复杂。本文介绍了精密冷锻新工艺在该零件加工中的应用，重点介绍了模具结构及特点，为延长模具使用寿命，模具设计成组合结构，凸模采用过盈配合，不仅能够降低制造成本，而且提高了模具寿命，生产应用表明该模具平均使用寿命可达1万件左右。

      刖言摩托车起动齿轮如所示，材料为20GMo，端面上有30个棘齿，外圆上均布21个模数为2的渐开线直齿，中心有19mm的光孔，上、下端面中部都有凸出的环状台阶。由于台阶的存在，不能用铣削方法加工出棘齿，因此，未采用精锻工艺之前，该零件的结构是组合式的：即以图示棘齿齿面与环状凸台的交接面为分界线，分别单独完成内、外2个不同形状工件的加工，然后再压装组合在一起，压合过盈量为0.01mm~0.03mm.采用上述方法，其工艺的复杂性、零件使用中的不可靠性、生产成本的不经济性都是显而易见的。若采用精密冷锻新工艺，不仅简化了零件结构（组合结构改为整体结构）及加工工艺，而且明显降低了制造成本，提高了零件的性能和可靠性，应当是一种最佳选择。本文重点介绍了冷锻模具的设计及其特点。
      冷锻工艺及冷锻件图设计起动齿轮精密冷锻成形工艺为：下料一软化退火处理一车毛坯一磷化十皂化处理一冷锻一去应力回火一入库，其中冷锻件图及模具的设计是关键技术问题。冷锻件图的设计考虑了以下几个方面：（）起动齿轮中间打9+0.21的光孔不直接锻出，设计要求锻成8.85+丨丨023，留出0.15的磨削余量。8.85+0.23孔在后序加工中作为滚齿定位孔，其精度要求较高，该孔冷锻成形后经氮化处理、磨削，最终达到19+0.121尺寸。（2）两端面凸起的台阶必须冷锻时挤出，上下端面处台阶仅留平磨量。（）渐开线直齿部分切削加工并不困难，费用也不高，如果采用冷锻完成，模具就会过于复杂而强度不足，又由于单位压力过高，模具齿形部份易早期失效，不能稳定工作，所以在冷锻时不成形渐开线直齿部分。此外，设计中还考虑到其它补充加工工序需留少量加工余量，故设计的冷锻件图如所示。
      起动齿轮零件基金项目：河南省科技攻关项目（921110508）令冷锻件模具结构及选材所设计的冷锻模采用通用挤压模模架，模具的模芯部分如所示，各零件选用的材料及所要求的硬度如表1所示。该模具在3.15MN通用油压机上使用，工作节奏为：毛坯放入凹模一模具闭合冷锻成形一上模回程一冷锻件被顶出一再次放入毛还，如此循环，每分钟成形制件2 ~3个，生产效率相当高。整套模具的一个显著特点是不仅凹模采用常规的预应力结构，而且在凸模设计上也采用了组合结构和预应力法，在降低模具制造难度的同时，也极大地提高了其使用寿命。其中凸模套3采用GCr15SiMn硬度要求HRC58~62是因为外凸模12的压力直接传到凸模套上；凹模11采用W18Cr4V，硬度要求HRC64~66是为了增加耐磨性；而心轴15采用65Nb是因为其具有高的强韧性，可防止被拉断，并对其受磨檫部份进行了软氮化处表1模具选材及热处理序号零件名称材料热处理硬度HRC上垫板垫板凸模套凸模预紧套预应力外圈凹模座顶件器下垫板顶杆凸模中套凹模外凸模凸模凸模垫板心轴孔径/mm脱模情况18.85光孔成形情况不易脱模，心轴拉毛变形太大，孔很光但常被拉伤可脱模粗糙度达到0.8以上易脱模变形小，孔内刀纹清晰3冷锻成形试验为保证冷锻时顺利挤出8. 1孔，试验采用8. 9-0.13的芯轴对8.3~19孔径的毛坯进行试压，结果（表2）表明，毛坯孔径为18.5125最佳，此时挤出的孔壁光滑、无毛刺、拔轴力也不大。
      此外还进行了环形平毛坯、斜面毛坯和有台阶毛坯的挤压对比试验，结果发现有台阶毛坯比较适于起动齿轮的成形，并最终确定毛坯尺寸形状如所示。图中斜角15°为经验值，斜角太小，在台阶处易产生折叠；斜角太大，易在9处形成塌角。实际生产证明，所示毛坯成形情况良好，成形压力在2. 9~3MN范围内，而且该毛坯精度要求也不高，一般车削都能完成。
      模具使用效果近年来我们已采用所示模具在3. 15MN通用油压机上累计生产了摩托车起动齿轮近10万件，模具平均使用寿命在1万件左右，之所以能达到如此效果，与其具有以下几个特点是分不开的：（1）凸模套3与凸模13采用过盈量为0.1的过盈配合，可防止凸模在挤压过程中掉下来。凸模设计成直通式，这种设计可降低凸模的制造难度，也便于凸模的更换。（2）外凸模12与凸模13采用过盈量为0.1的过盈配合。因凸模上的齿会在挤压力的反复作用下由齿根处开裂，出现掉块现象。
      外凸模与凸模采用过盈配合，可使凸模上的齿得到加强，不易开裂、掉块。（3）凸模13采用的是65Nb材料，淬火后硬度达到HRC60―63韧性比高速钢和Ci12MV都好，耐磨性比Ci12MV好。（4）外凸模外侧加预紧圈4外凸模12在与凸模13过盈配合时已存在一个向外的胀力，在挤压时，又反复受到不均匀应变的影响。这样，外凸模极易开裂，在其外侧加上过盈量为0.13的预紧圈，能很好地预防凸模和外凸模发生开裂、掉块现象。
      结束语精密冷锻工艺的稳定性主要取决于模具结构的合理设计。本文设计的起动齿轮冷锻成形模具突破了只有凹模结构才使用预应力的常规，在凸模设计过程中，采用了组合结构与施加预应力的方法，不但使结构简化，制造成本降低，而且极大地提高了模具寿命。