20CrMnTi圆柱直齿轮冷挤压成形方法

摘要

一种20CrMnTi圆柱直齿轮冷挤压成形方法，依次包括：下料、退火、抛丸处理、软化处理、挤压、冲孔、粗车、精车、渗碳处理、二次抛丸、精磨，其特征在于：将20CrMnTi圆钢锯成坯料退火后抛丸、软化；将专用模具置入冷挤压液压机，将软化处理后的坯料放进专用模具，以一次成形的方式完成压孔和压齿的动作，通过顶杆将成形齿顶出模架，便完成一次挤压动作，得到带盲孔的圆柱直齿轮半成品；将带盲孔的半成品的盲孔冲成通孔；粗车、精车；将精车后的半成品进行渗碳处理，抛丸处理，内孔、端面进行精磨，就得到圆柱直齿轮成品。本发明提高了材料利用率，减少了工艺流程，节约了加工时间。大大的提高了零件整体的机械性能。

权利要求

1.一种20CrMnTi圆柱直齿轮冷挤压成形方法，依次包括：下料、退火、抛丸处理、软化处理、挤压、冲孔、粗车、精车、渗碳处理、二次抛丸、精磨，其特征在于：下料：将20CrMnTi圆钢锯成坯料；

退火：将坯料置入工业电炉进行退火处理，炉内温度加热至800-900℃保温5-7个小时后随炉冷却；

抛丸处理：将退火后的坯料采用抛丸清理机进行抛丸处理，在保证工件不被击伤的情况下去除氧化皮；

软化处理：将抛丸处理后的坯料进行除油、软化中和调整、清洗；

挤压：包括同步压孔和压齿，即将专用模具置入冷挤压液压机；

所述专用模具包括由下模座(21)、上模座(22)、导向柱(25)构成的模架，其中：上模座(22)固定于导向柱(25)上，下模座(21)上开有与导向柱(25)相配合的孔，导向柱(25)穿过该孔后与下模座(21)动配合；

上模座(22)下面通过螺栓固定有环形模腔(2)，环形模腔(2)中自上而下依次装有底垫，上压头固定套(6)，上压头固定套(6)中过盈配合有上压头(7)，上压头固定套(6)下面装有上压头锁紧环(8)，上压头锁紧环(8)通过螺钉(4)固定在环形模腔(2)上；

下模座(21)上面通过螺栓固定有下模腔(13)，下模腔(13)中自下而上依次装有垫块，凹模圈(16)，装于凹模圈(16)中的下压头固定套(15)，过盈配合于下压头固定套(15)中的下压头(11)，中间开有模腔的齿模(14)，下凹模(9)，下凹模(9)中过盈配合有导向套(10)，下凹模(9)上面装有下垫圈(12)，下垫圈(12)通过螺栓固定在下模腔(13)上；

上压头(7)与下压头(11)位于同一轴线上；

下压头(11)上部位于齿模(14)的模腔中；

下模座(21)底部开有轴孔，垫块、下压头固定套(15)上开有月牙孔，有一月牙形顶杆(19)穿过下模座(21)底部的轴孔，再穿过月牙孔后伸入齿模(14)的模腔中；

在保证专用模具同轴度和垂直度的条件下，将软化处理后的坯料放进专用模具的导向套(10)中，在上模座(22)保持固定的情况下，上升冷挤压液压机液压油缸，液压油缸带动下模座(21)缓慢向上移动，上压头(7)缓慢的和坯料接触，并且施加更大的力，将坯料推向齿模(14)中，此后上压头(7)继续向坯料施加更大的力，使坯料发生塑性变形，从而以一次成形的方式完成压孔和压齿的动作，然后退回下模座(21)，通过顶杆将成形齿顶出模架，便完成一次挤压动作，得到带盲孔的圆柱直齿轮半成品；

冲孔：用固定台压力机的冲头将带盲孔的圆柱直齿轮半成品的盲孔冲成通孔；

粗车：将冲孔后的圆柱直齿轮半成品进行粗车处理；

精车：将粗车后的圆柱直齿轮半成品进行精车处理；

渗碳处理：将精车后的圆柱直齿轮半成品使用渗碳炉进行渗碳处理；

二次抛丸：采用抛丸清理机对渗碳处理后的圆柱直齿轮半成品进行抛丸处理；

精磨：使用内圆磨床对二次抛丸后的圆柱直齿轮半成品的内孔进行精磨，采用平面磨床对二次抛丸后的圆柱直齿轮半成品的端面进行精磨，得到圆柱直齿轮成品。

说明书

20CrMnTi圆柱直齿轮冷挤压成形方法

一、技术领域：

[0001] 本发明属于一种圆柱直齿轮冷挤压成形的方法。二、背景技术：

[0002] 圆柱直齿轮用途十分广泛，例如可以用于大功率的电动工具或是机械上的各种传动组件。

[0003] 传统的圆柱直齿轮的加工必须经过下料、钻孔、粗车(外圆、内孔、端面)、精车、再到滚齿、插齿或剃齿、热处理、精磨、到成品包装，其中就齿形加工而言，平均每个齿形加工需要花上15-20分钟，内孔的加工除钻孔以外，更需要镗孔，所用周期更是扩大到30分钟。

[0004] 并且传统齿轮加工工艺耗材量大，浪费严重，在齿形加工过程中，吃刀量大，切屑多，同时，刀具易损，经常更换，加工质量极不稳定。

[0005] 除了切削加工以外，有时也采用热挤压的方法进行圆柱直齿轮的加工，即将毛坯烧热至一定的温度后进行锻造，便可以得到齿形，但加工所得的齿形精度较差，以及机械性能明显降低，且批量一致性和互换性不高，不适合大批量生产。

[0006] 在此之前有人也尝试过采用冷挤压的方式来实现齿轮加工例如在中国专利CN200510017621.1中提出通过挤压的方式来实现，即采用正向挤压成形工艺，但是未涉及孔和齿的同时加工成形。并且模具结构方面存在一定的不合理，模具寿命和产品精度不易保证，因此导致在实际生产中没有太大的的实际意义。三、发明内容：

[0007] 本发明针对现有技术中存在的不足，对传统的方法进行创新，提供一种以一次成形的方式同步完成压孔和压齿动作的20CrMnTi圆柱直齿轮冷挤压成形方法。

[0008] 为了解决传统工艺中存在的问题，本发明是通过以下步骤实现的：

[0009] 一种20CrMnTi圆柱直齿轮冷挤压成形方法，依次包括：

[0010] 下料、退火、抛丸处理、软化处理、挤压、冲孔、粗车、精车、渗碳处理、二次抛丸、精磨，其特征在于：

[0011] 下料：将20CrMnTi圆钢锯成坯料；

[0012] 退火：将坯料置入工业电炉进行退火处理，炉内温度加热至800-900℃保温5-7个小时后随炉冷却；

[0013] 抛丸处理：将退火后的坯料采用抛丸清理机进行抛丸处理，在保证工件不被击伤的情况下去除氧化皮；

[0014] 软化处理：将抛丸处理后的坯料进行除油、软化中和调整(可以使用磷皂化或者高分子溶剂)、清洗；

[0015] 挤压：包括同步压孔和压齿，即将专用模具置入冷挤压液压机；

[0016] 所述专用模具包括由下模座、上模座、导向柱构成的模架，其中：

[0017] 上模座固定于导向柱上，下模座上开有与导向柱相配合的孔，导向柱穿过该孔后与下模座动配合；

[0018] 上模座下面通过螺栓固定有环形模腔，环形模腔中自上而下依次装有底垫，上压头固定套，上压头固定套中过盈配合有上压头，上压头固定套下面装有上压头锁紧环，上压头锁紧环通过螺钉固定在环形模腔上；

[0019] 下模座上面通过螺栓固定有下模腔，下模腔中自下而上依次装有垫块，凹模圈，装于凹模圈中的下压头固定套，过盈配合于下压头固定套中的下压头，中间开有模腔的齿模，下凹模，下凹模中过盈配合有导向套，下凹模上面装有下垫圈，下垫圈通过螺栓固定在下模腔上；

[0020] 上压头与下压头位于同一轴线上；

[0021] 下压头上部位于齿模的模腔中；

[0022] 下模座底部开有轴孔，垫块、下压头固定套上开有月牙孔，有一月牙形顶杆穿过下模座底部的轴孔，再穿过月牙孔后伸入齿模的模腔中；

[0023] 在保证专用模具同轴度和垂直度的条件下，将软化处理后的坯料放进专用模具的导向套中，在上模座保持固定的情况下，上升冷挤压液压机液压油缸，液压油缸带动下模座缓慢向上移动，上压头缓慢的和坯料接触，并且施加更大的力，将坯料推向齿模中，此后上压头继续向坯料施加更大的力，使坯料发生塑性变形，从而以一次成形的方式完成压孔和压齿的动作，然后退回下模座，通过顶杆将成形齿顶出模架，便完成一次挤压动作，得到带盲孔的圆柱直齿轮半成品；当然，或者在下模座保持固定的情况下，下降液压机液压油缸，带动上模座缓慢向下移动，上压头缓慢的和坯料接触，这也应该理解为与上述方案等效的技术方案；

[0024] 冲孔：用固定台压力机的冲头将带盲孔的圆柱直齿轮半成品的盲孔冲成通孔；

[0025] 粗车：将冲孔后的圆柱直齿轮半成品进行粗车处理；

[0026] 精车：将粗车后的圆柱直齿轮半成品进行精车处理；

[0027] 渗碳处理：将精车后的圆柱直齿轮半成品使用渗碳炉进行渗碳处理；

[0028] 二次抛丸：采用抛丸清理机对渗碳处理后的圆柱直齿轮半成品进行抛丸处理；

[0029] 精磨：使用内圆磨床对二次抛丸后的圆柱直齿轮半成品的内孔进行精磨，采用平面磨床对二次抛丸后的圆柱直齿轮半成品的端面进行精磨，得到圆柱直齿轮成品。

[0030] 在本发明中：下料、退火、抛丸处理、软化处理、冲孔、粗车、精车、渗碳处理、二次抛丸、精磨等过程也可以按产品设计要求采用行业中常见的方式。

[0031] 对相关技术参数做适应性修改，本发明也适用于其它性能相近材质的圆柱直齿轮冷挤压成形，这也应该理解为与上述方案等效的技术方案。

[0032] 一般地：上底垫放置在上模座中，主要为过盈配合，上底垫和环形模腔进行过盈配合，中垫固定环和上中垫进行过盈配合，上压头和上压头固定套在配合过程中，不仅要保证必要的过盈量，同时要保证上压头的垂直度以及和整副模具的轴线重合；下凹模和导向套为过盈配合，注意调节过盈量，同时，在配合的过程中预留一定的压制余量，通过液压机的压力进行压制配合，齿模由齿模外套、齿模中套和硬质合金齿模三部分组成，齿模安放在下凹模下面，下压头和下压头固定套通过过盈配合，预留压制量后和凹模圈配合，下压头固定套安放于凹模上垫块之上，通入顶杆，凹模下垫块起着支撑作用，在凹模上垫块之下，依次便是下模腔固定环，下模腔固定环和下模腔进行过盈配合，其中下压头固定套，凹模上垫块都开有月牙通孔，以方便顶杆的上下位移；上压头和上压头固定套进行过盈配合，上压头的硬度和韧性有极高的要求，顶端更需要进行抛光处理，上压头一般采用Cr12MoV钢系及其改良体如LD(7Cr7Mo2V2Si)、DC53等或者高速钢，在配合过程中预留压制量，通过液压机的压力来完成配合。上压头和上压头固定套在压制过程中起着定位，并且起着施加推力的作用，将坯料和齿模、下压头接触，这种装配方式和结构极大的增加了受力面积，使模具经久耐用；下压头和下压头固定套是圆柱直齿轮冷挤压模具中最核心，也是要求极高的部分，下压头的硬度以及韧性要求极高，由于承受了大部分的力，因此，在设计过程中下压头的外形、锥度都有严格的要求。在安装过程中特别要保证其同轴度和垂直度，下压头和下压头固定套在压制过程中起着压孔的作用，通过上压头施加的推力，下压头给坯料反作用力，致使坯料发生塑性变形而制得的内孔，这种外形和锥度的设计更加有利于承受较大的力，使模具的使用寿命增加；齿模是圆柱直齿轮冷挤压模具中最重要的部件，同样也是要求最高的部分，齿模主要由齿模外套、齿模中套、硬质合金齿模组成，在压制过程中起着行齿的作用，齿模外套一般采用45钢，齿模中套采用60Si2Mn，由于采用一次成形的，故硬质合金齿模的精度和耐磨性要求相当高，硬质合金齿模部分加工时必须采用慢走丝，保证其加工精度，采用这种结构的设计和安装便于节约成本，控制材料，成形齿的齿向、齿形均可达到国家的标准规定，无需再加工；下凹模和导向套属于过盈配合，在加工过程中需要预留压合高度，导向套要求有较高的硬度，一般采用Cr12MoV，下凹模和导向套起着定位导向的作用，采用这种结构的模具不仅提高了在挤压过程中能承受着较大的力，且在长时间的压制过程中不会出现因坯料塑性变形而变形或应力过大而开裂，同时控制了成本，节约了材料；月牙孔一般为均布于同一圆周上的多个孔，相应地，顶杆也由同样数量月牙片构成(相当于将圆筒壁的一端沿轴向剪切掉多块，另一端又相连)。

[0033] 和现有技术相比，本发明的有益效果是：提高了材料利用率，减少了工艺流程，节约了加工时间。同时大大的提高了零件整体的机械性能。四、附图说明

[0034] 图1为本发明实施例的退火热处理流程表。

[0035] 图2为本发明实施例的压孔压齿专用模具整体结构图。

[0036] 图3为用专用模具压孔压齿后的半成品的剖视图。

[0037] 图4为冲孔后的半成品的剖视图。

[0038] 图5为本发明实施例的渗碳热处理流程表。

[0039] 图6为精磨加工后的圆柱直齿轮成品的剖视图。

[0040] 图中：1、上底垫；2、环形模腔；3、上中垫；4、螺钉；5、中垫固定环；6、上压头固定套；7、上压头；8、上压头锁紧环；9、下凹模；10、导向套；11、下压头；12、下垫圈；13、下模腔；14、齿模；15、下压头固定套；16、凹模圈；17、凹模上垫块；18、凹模下垫块；19、顶杆；20、顶杆垫块；21、下模座；22、上模座；23、下模腔固定环；24、导套；25、导向柱。
五、具体实施方式

[0041] 下面结合附图对本发明做详细的描述，但本发明的保护范围不限于下述的实施例：

[0042] 一种20CrMnTi圆柱直齿轮冷挤压成形方法，依次包括：

[0043] 下料、退火、抛丸处理、软化处理、挤压、冲孔、粗车、精车、渗碳处理、二次抛丸、精磨，其特征在于：

[0044] 下料：将20CrMnTi圆钢锯成坯料；

[0045] 退火：将坯料置入工业电炉进行退火处理，炉内温度加热至860℃保温5-7个小时后随炉冷却，见图1；

[0046] 抛丸处理：将退火后的坯料采用抛丸清理机进行抛丸处理，在保证工件不被击伤的情况下去除氧化皮；

[0047] 软化处理：将抛丸处理后的坯料进行除油、软化中和调整、清洗；

[0048] 挤压：包括同步压孔和压齿，即将专用模具(见图2)置入冷挤压液压机；

[0049] 所述专用模具包括由下模座21、上模座22、导向柱25构成的模架，其中：

[0050] 上模座22固定于导向柱25上，下模座21上开有与导向柱25相配合的孔，导向柱25穿过该孔后与下模座21动配合；

[0051] 上模座22下面通过螺栓固定有环形模腔2，环形模腔2中自上而下依次装有底垫，上压头固定套6，上压头固定套6中过盈配合有上压头7，上压头固定套6下面装有上压头锁紧环8，上压头锁紧环8通过螺钉4固定在环形模腔2上；

[0052] 下模座21上面通过螺栓固定有下模腔13，下模腔13中自下而上依次装有垫块，凹模圈16，装于凹模圈16中的下压头固定套15，过盈配合于下压头固定套15中的下压头11，中间开有模腔的齿模14，下凹模9，下凹模9中过盈配合有导向套10，下凹模9上面装有下垫圈12，下垫圈12通过螺栓固定在下模腔13上；

[0053] 上压头7与下压头11位于同一轴线上；

[0054] 下压头11上部位于齿模14的模腔中；

[0055] 下模座21底部开有轴孔，垫块、下压头固定套15上开有月牙孔，有一月牙形顶杆19穿过下模座21底部的轴孔，再穿过月牙孔后伸入齿模14的模腔中；

[0056] 在保证专用模具同轴度和垂直度的条件下，将软化处理后的坯料放进专用模具的导向套10中，在上模座22保持固定的情况下，上升冷挤压液压机液压油缸，液压油缸带动下模座21缓慢向上移动，上压头7缓慢的和坯料接触，并且施加更大的力，将坯料推向齿模14中，此后上压头7继续向坯料施加更大的力，使坯料发生塑性变形，从而以一次成形的方式完成压孔和压齿的动作，然后退回下模座21，通过顶杆将成形齿顶出模架，便完成一次挤压动作，得到带盲孔的圆柱直齿轮半成品，见图3；

[0057] 冲孔：用固定台压力机的冲头将带盲孔的圆柱直齿轮半成品的盲孔冲成通孔，见图4；

[0058] 粗车：将冲孔后的圆柱直齿轮半成品进行粗车处理；

[0059] 精车：将粗车后的圆柱直齿轮半成品进行精车处理；

[0060] 渗碳处理：将精车后的圆柱直齿轮半成品使用渗碳炉进行渗碳处理，见图5；

[0061] 二次抛丸：采用抛丸清理机对渗碳处理后的圆柱直齿轮半成品进行抛丸处理；

[0062] 精磨：使用内圆磨床对二次抛丸后的圆柱直齿轮半成品的内孔进行精磨，采用平面磨床对二次抛丸后的圆柱直齿轮半成品的端面进行精磨，得到圆柱直齿轮成品，见图6。

[0063] 更为具体的方法可以是：

[0064] 下料：采用卧式带锯床系列数控金属锯床进行下料加工，在加工过程中注意夹紧状况和锯条的使用情况，确保加工过程工件夹持牢靠，锯条使用正常。若加工过程中锯条出现异常应当及时检查锯条或者更换，重新对刀加工，经过自检以及专检确认合格后方可以加工。测量时也必须保证工件及量、检具干净，工件被测面无异物、毛刺。

[0065] 退火热处理：采用的是工业电炉进行退火处理，炉内温度加热至860℃后保温5到7个小时随炉冷却。

[0066] 抛丸处理：采用履带式抛丸清理机进行抛丸处理，要求完全去除氧化皮，注意抛丸时间的长短，保证工件不被击伤。

[0067] 软化处理(高分子或磷皂化)：除油——软化中和调整——清洗，软化工件之前，要检查各个溶液浓度、温度，确保软化工件正常，在软化处理过程中多观察工件有无达到技术要求。

[0068] 一次性压孔压齿成形：将本发明的专用模具放在冷挤压液压机进行压制加工，保证压制出来的技术要求，齿模是一次性压制模具中最重要的部位，由行齿部分、中套、外套组成，在压制过程中起着行齿的作用，由于采用一次成型的，故其精度和耐磨性要求相当高，故行齿部分加工必须采用慢走丝，保证加工精度≤0.015mm，材料优先选用硬质合金。以一次成型的方式完成压孔和压齿的动作，通过顶杆将成型齿顶出装置，便可以压制成功。经过自检以及专检确认合格后方可以加工，测量时也要保证工件及量具干净，工件被测面无异物，毛刺。

[0069] 冲孔：采用的是开式固定台压力机，在冲孔过程中注意冲孔工装的调整，以及冲头和工件的对中性，在加工过程中若模具出现异常应该及时检查或者更换模具，重新调整加工，经过自检及专检确认合格后方可加工。

[0070] 粗车：粗车可以分成粗车端面、下台阶等，加工工件之前，检查工件定位夹紧状况和刀具的使用情况，确保加工过程中工件夹持牢靠，刀具使用正常。加工过程中若刀具出现异常反应，要及时更换刀具或是重新打磨刀片，测量时必须保证工件及量具干净，工件被测量面无异物毛刺。

[0071] 精车：主要有倒内角、精车内孔等。

[0072] 打毛刺和倒角使用的是齿轮磨棱角倒角机。加工工件之前，检查工件定位夹紧状况和刀具使用情况，确保加工过程工件夹持牢靠，刀具使用正常，加工过程中若出现异常，应该及时更换砂轮片，重新加工，经过自检确认合格后方可加工，加工过程中必须保证砂轮片不得伤及齿面。

[0073] 渗碳热处理处理：使用渗碳炉进行渗碳处理，进炉前设置好参数，进炉后观察参数是否稳定。

[0074] 二次抛丸：采用履带式抛丸清理机进行抛丸处理，要求工件无氧化皮，色泽均匀一致，注意抛丸时间长短，保证工件不被击伤。

[0075] 精磨内孔：使用的是内圆磨床以及数控车床。加工工件之前，检查工件定位夹紧状况和砂轮使用情况，确保加工过程中工件夹持牢靠，砂轮使用正常。

[0076] 精磨端面：采用的是卧轴矩台平面磨床。加工过程中若砂轮出现异常应及时更换砂轮，经过自检及专检确认后方可加工。

[0077] 成品检验：主要检验产品是否在规定尺寸范围内。

[0078] 成品包装入库。