冷精锻技术应用案例：冷挤压花键、花键轴冷挤压、齿形凹模、表面强化与抛光

　本文以汽车花键轴冷挤压为例，介绍冷精锻技术的应用情况。

 　　随着汽车工业、摩托车工业及其他加工制造业的发展，对花键轴的需求量越来越大。

　　现在，国内大部分企业对花键轴的加工采用滚齿加工（对渐开线齿形花键）或铣削加工（对矩形花键）。常规机械加工生产花键轴，具有材料利用率低、生产效率低、生产成本高等问题，同时，由于金属流线被切断，花键轴使用寿命低。因此，不能满足大批量生产的要求。

1.冷挤压花键的工艺

　　冷挤压花键是一种少无切削加工，它不仅具有生产效率高、材料利用率高、花键承载能力强、成本低的等特点，而且能保持花键内部金属流线连续，晶粒得到不同程度的破碎和拉长在后续热处理过程中，晶粒得到进一步细化，从而提高了零件的综合机械性能，冷挤压花键所用设备为普通油压机，价格便宜。齿形精度由凹模决定，模具寿命较高，高速钢模芯的凹模寿命可以达到1万件以上，硬质合金模芯的凹模寿命可以达到几十万件，所以，产品质量比较稳定。冷挤压花键适用范围广，只要冷挤压花键的力不会造成杆部的弯曲和镦粗轴类零件，都可以冷挤压花键。有时可以在油压机的一次行程过程中同时冷挤压轴上两处花键。若花键轴上有三段花键，应先挤压两端的花键，再挤压中间的花键。

　　（1）花键齿形种类　花键齿形有渐开线、圆弧形、燕尾形、六方形、矩形、三角形等，如图2所示。

　　（2）花键轴的结构　花键轴一般有一段、二段及三段花键，如图3所示。

　　（3）挤压方式　挤压方式有开式、闭式及半开式三种形式，如图4所示。

2. 花键轴冷挤压模具结构

　　某一两端带花键的花键轴冷挤压模，如图5所示。

　　（1）冷挤压花键凹模设计 冷挤压花键凹模的设计主要包括凹模的齿形设计，挤压引导段设计，挤压过渡段设计，工作部分宽度H 设计，顶出回程段设计。

　　冷挤压花键凹模 当（D－d ）/b ＞1时，矩形花键轴（同样适用的齿形设计：冷挤压 渐开线花键轴）时，则采用α=30°～40°为宜。

　　花键凹模的齿形设 模具工作部分宽度H 设计：模具工作部分宽度计，要求能够按规定 H如图3所示。模具工作部分宽度H对挤压后花键零的齿厚和齿高冷挤出 件的表面质量有一定影响。模具工作部分宽度H过符合要求的工件齿 长，金属流动的摩擦力大大增加，金属流动困难，形，所以凹模齿数和 从而影响冷挤压花键的正常进行。而模具工作部分齿高和工件相同；考 宽度H过短，虽然金属流动容易，挤压力也很小，虑到工件的热胀冷缩 但是挤压成型的花键零件容易扭曲变形。模具工作以及模具和挤压工件 部分宽度H可按下式确定的弹性回复。

H＝（0.3～0.4）d

　　采用正挤压加工 式中，H是模具工作部分宽度（mm）； d是花键小时，模具成形部分的 径直径（mm）。

　　形状如图6所示。齿形成形平行喉部可用电火花加工制成，变形开始需作成圆角，喉部须做成连接圆角的过渡线，圆角半径一般为2～3mm。齿形凹模的挤压引导段设计：在花键轴开式冷挤压过程中，坯料进入模具成形区域时，由于局部变形程度较大，坯料塑性变形区域向上扩展到工作段以外的一段区域，这段区域的金属有径向流动的趋势，模具引导区的作用就是限制这部分金属径向流动，避免金属在模具口部堆积。齿形凹模的挤压引导段设计，就是确定挤压引导段的高度H，一般取H=2.5～3.5mm齿形凹模的挤压过渡段设计：齿形凹模的挤压过渡段设计主要是选取合适的斜度，斜度太大，虽然金属流动的流程短，摩擦力较低，但在挤压过程中的径向压力分量较大，使挤压成形所需的轴向压力分量减小，这样既会增大挤压力，又使金属轴向流动比较困难，从而造成挤压毛坯堤镦粗，使花键挤压成形难以继续进行。斜度过小，金属流动路程较长，摩擦力较大，也会造成挤压过程中金属流动困难。一般取α=22.5°～30°。对于（D－d）/b＜1矩形花键轴，以采用α=20°～30°为好。式中，D是花键大径（m m）；d 是花键小径（mm）；b是花键长度（mm）。

　　由上式确定的模具工作部分宽度H ，既可保证花键轴的直线度，又可使挤压力最小。

　　齿形凹模的顶出回程段设计：齿形凹模的顶出回程段设计与挤压过渡段类似。主要是选取合适的斜度。斜度太大，虽然金属流动的流程短，摩擦力较低，容易挤压成形，但在顶出回程过程中由于导程段较小，容易造成挤压件的镦粗，使挤压件难以顶出。斜度过小，顶出的导向段较长，挤压件容易顶出，但由于在挤压过程中金属的流动路程长，摩擦力很大，使挤压过程难于正常进行。一般凹模的顶出回程段斜度为30°～45°。

　　（2）冷挤压花键凹模结构设计　一般模具外径为内径的4～5倍以上的强度，即可满足要求（当模具材料硬度在40HRC以上时）。如果采用一层或两层镶套，用压配合压入，则可使模具的许用应力相应提高。镶套直径：镶一层套时，可按公式　R ₃ =（R ₁R ₃）1/2 求得。如图7所示。

　　镶两层套时，可按R ₃=1.6R ₂；R ₄=1.6²R ₂=2 . 5 6R ₂ ；R ₁ = 1 . 6 ³R ₂ =4.1R₂。

　　如图8所示。模套：模套的组合按 1 ° ～ 3 ° 锥面压入带入口直径的套，可采用热压合过盈时，一般为模套直径的0.3%～0.5%，热压合时所需温度为300～400℃，模套与模芯的接触面积应大于75%。模套材料一般采用热作模具钢如5CrMnMo、5CrNiMo等。

3. 齿形凹模制造工艺

　　（1）模具材料（模芯材料） 高负荷、复杂应力、高精度及高寿命的苛刻要求决定了模芯材料必须具备高强度、高韧性和高耐磨性，传统的高合金工具钢（Cr12MoV）已难满足复杂形状模芯的使用要求，目前国内已普遍使用高速工具钢、基体钢、硬质合金及钢结合金。高速工具钢及基体钢： W 1 8 C r 4 V 、W6Mo5Cr4V2、6W6Mo5Cr4V及012AI、65Nb、H13等。这些原本适用于热锻模的高性能模具钢，具有高强度及韧性、高硬度及耐磨性，特别是回火温度高（500～600℃），可抵抗冷锻发热（＜300℃）产生的不可逆软化，更适合于进一步提高模具寿命的表面强化技术，如气体软氮化、离子氮化及TiC气相沉积等。

　　硬质合金及钢结硬质合金合金：硬质合金因其高硬度及高耐磨性，特别适合冷锻工艺大批量及超大批量的生产特性，但由于易脆裂，主要用于制作形状相对简单的轴对称小型制件的凹模芯，且必须加模套抵消工作时凹模内壁产生的切向拉应力。钢结硬质合金的韧性明显提高，加工流程与工具钢相同，硬度仍可达HRC78，更适用于制作形状相对复杂的凹模。常用的硬质合金及钢结硬质合金合金有YG15 、YG20、YG25及GT35、YE65、GJW50等。硬质合金凹模型腔需要电火花及线切割加工，内外定位圆面也需专门的磨削工具，但不能采用高速数控铣加工。

　　（2）凹模坯料的加工工艺路线 凹模坯料是指线切割内齿以前的凹模。其加工工艺如下：下料→十字改锻→球化退火→粗车加工→淬火、回火→磨削加工→压入预应力圈。

　　（3）凹模内齿形的加工 凹模内齿形的加工目前有两种：

　　①线切割机床加工凹模内齿形。线切割时齿表面留0.01mm左右的研磨量。线切割后模具钳工修磨入口和出口齿形上棱线成圆弧状，并研磨齿表面0.01mm留量，抛光整个模腔，表面粗糙度值R a=0.2μm以内。模具钳工修磨入口和出口齿形上棱线时，一定要保证均匀，如果有的齿修得多，有的齿修得少，会造成冷挤压花键时阻力不均匀，阻力小的地方金属材料进得快，阻力大的地方金属材料进得慢，挤出的花键往阻力大的一侧弯，造成花键齿向和径向圆跳动精度下降。线切割不能一次加工到尺寸，最好切割三遍。第二次切割0.5mm左右的加工量，第三次切割0.1mm左右加工量或空走一遍。其目的是为了提高表面质量，防止预应力圈给模芯很大的压应力，心部材料被切下后，模芯内腔尺寸往里收缩，先切下的先收缩，后切下的后收缩，造成模芯内腔尺寸不均匀。如果一次切割完成，所得模芯内腔尺寸比输入尺寸小，形状也不准确。切割三遍后，就能消除压应力造成模芯形状和尺寸的误差。

　　②电火花机床加工凹模内齿形。凹模内齿形用电火花机床加工。电极的精度直接影响凹模的精度，电极应采用精度高的滚齿机床加工，电极精度比凹模精度高一级，比花键轴的精度高二级。电极的尺寸应比凹模的设计尺寸单边小0.05mm，作为放电间隙和研磨留量。凹模内齿形尺寸应做到产品尺寸的下偏差再减去冷挤压后的回弹量。齿顶圆、齿根圆的回弹是不同的，一般要试挤后修正一次。凹模入口和出口处的修整方法同线切割后的修整方法，也可以用电火花机床来修整凹模入口和出口处棱线圆角。用电火花机床修整能保证每次修整凹模入口和出口形状一致。

4. 表面强化技术

　　如气体软氮化、离子氮化及TiC气相沉积等，现国内企业已广泛使用，可提高模具寿命两倍以上，但表面强化处理时的温度一定要低于模具材料的回火温度，否则模具产生基体软化及明显变形。

5. 表面抛光技术

　　模具工作部位的表面最好达到镜面，现主要用电磨头手工抛光，另外有超声波抛光、电化学抛光、挤压绗磨机抛光等（含有磨粒的粘性介质在高压作用下流过被加工表面，可用于抛光、倒圆角、去毛刺，适合通孔型腔抛光）。

节选于《金属加工》杂志