棘轮套冷挤压成形工艺及模具设计

棘轮套塑性成形工艺及模具设计中文摘要：冷挤压是精密塑性体积成形技术中的一个重要组成部分。

冷挤压是指在冷态下将金属毛坯放入模具模腔内，在强大的压力和一定的速度作用下，迫使金属从模腔中挤出，从而获得所需形状、尺寸以及具有一定力学性能的挤压件。

显然，冷挤压加工是靠模具来控制金属流动，靠金属体积的大量转移来成形零件的。

本设计介绍了棘轮套零件结构分析、挤压工艺过程、挤压设备选择、模具结构的设计、凸凹模设计、挤压件质量分析、棘轮套齿形模芯的结构、凸模加工工艺及模具各部件三维造型进行了叙述，并计算了毛坯体积、毛坯尺寸、变形程度、挤压比和挤压力。

与常规的棘轮套加工工艺相比，冷挤压成形的棘轮套具有齿形强度高、齿形尺寸精度较高、表面粗糙度值低、材料利用率高、生产效率高、设备投资少等优势。

关键词：冷挤压棘轮套正挤压凸缘Ratchet sets of plastic forming process and die design(Tongling University ,mechanical Material Forming and Control Technology,07 mold Zhang Teng)Abstract: Volume precision plastic cold extrusion forming technology is an important component. Cold extrusion is the next in the cold metal blank into the mold cavity, the strong pressure and under a certain speed, forced metal extrusion from the mold cavity to obtain the required shape, size, and has some mechanical performance of extrusion Obviously, the cold extrusion process is to control the metal flow by mold, by transfer to a large number of metal forming volume parts.Ratchet sets introduced structure of parts, extrusion process, extrusion equipment selection, die structure design, punch and die design, extrusion quality analysis, ratchet sets of the structure of tooth punch, punch and die processing of parts, Three-dimensional modeling of the narrative, and calculate the rough size, blank size, deformation, extrusion ratio and extrusion pressure. And conventional processing technology compared to ratchet set, ratchet set of cold extrusion with gear, high strength, high precision gear size, low surface roughness, high utilization ratio, high efficiency, less investment in equipment and other advantages.key words: Cold extrusion Ratchet sets Extrusion Flange目录一、冷挤压零件分析 31、材料选择 32、形状设计 33、尺寸分析 4二、冷挤压工艺分析 41、坯料尺寸确定 42、毛坯软化处理 43、冷挤压毛坯表面处理与润滑 54、变形程度计算 65、确定挤压次数 66、工序设计 8三、冷挤压设备选择 121、挤压力的确定 122、压力机吨位计算 123、挤压设备类型选择 134、液压式压力机型号选择 13四、冷挤压模具结构设计 13五、凸模设计 141、凸模的长度尺寸计算 152、凸模加工工艺路线 15六、凹模设计 161、组合凹模结构设计 172、棘轮套挤压齿形模芯的设计 173、齿形模芯加工 20七、冷挤压件质量分析20八、凸模机加工工艺 23九、非标准件三维结构图 24 致谢 30 参考文献 31图1—棘轮套零件图图1所示为棘齿套零件图。

它是一种两端带孔，中间带凸缘的轴类齿轮零件，其各截面变化较大、直径为φ39mm的外表面为异形齿且精度要求较高，外齿齿顶圆角太小（R0.5），成形工艺性较差。

内孔型腔表面要求光滑平整，无毛刺，划痕，裂纹和折叠等缺陷存在，表面粗糙度Ra3.2以下。

对于这种具有外齿形、两端带孔﹑中间带凸缘轴类零件，要获得具有外齿形的精密锻件，采用单工序成形是不可能的，必须采用多工序成形工艺。

根据零件的结构特点和材料的工艺特性，采用冷挤压成形工艺比较适宜。

一、挤压零件分析该棘轮套属于凸缘和齿轮零件类别。

1，材料选择该棘轮套选用20CrMo钢，该钢材参照国家标准：GB/T 3077-1988。

其化学成分（质量分数，﹪）为：0.17～0.24C，0.17～0.37Si，0.40～0.70Mn，≤0.035S，≤0.035P，0.80～1.10Cr，≤0.030Ni，≤0.030Cu，0.15～0.25Mo,属于低碳合金结构钢。

该材料的强度较低、塑性很好，是典型的冷成形材料。

2，形状设计（a）对称性棘轮套为轴对称，对称性最好，（b）断面积的差根据冷挤压棘轮套工序，第一道正挤压工序断面积差=1909.562m m，第二道工序断面积差:2513.312m m ,第三道工序断面积差:1010.262m m（c ）断面过渡第一道正挤压工序，由于直径φ46圆柱与直径φ63.6的中间凸缘相差较大，截面变化较剧烈，是变形和应力分布最不均匀的区域，材料在该处易产生裂纹。

故应设计成锥形过渡。

①挤压比G (引用《挤压实用技术》p113) G=10F F 式中 F0—冷挤压变形前毛坯的横截面积（2m m） F1—冷挤压变形后制件的横截面积(2m m )经计算得G=2.57。

查《挤压模具简明设计手册》P25表2.13 冷挤压件尺寸的极限值，选取a=45°。

②过渡圆角半径 (引用《挤压模具简明设计手册》P26表2.13 冷挤压件尺寸的极限值)查表取R=1.0mm;r=3.0mm（d ）断面形状根据零件图分析知，棘轮套无锥形、细小深孔、通孔，故适合于冷挤压断面形状。

3，尺寸分析（a ）最小压余厚度t由于棘轮套采用正挤压工艺，故t ≥d/2满足其要求。

（b ）最小壁厚s壁厚越小，挤压力越大，变形程度越大，变形抗力越大，金属流动越困难。

查《挤压模具简明设计手册》P38表1-31 冷挤压工艺尺寸的极限数值，得低碳钢S ≥d/5。

根据零件图分析知，S=7mm 、d=23mm 故S ≥d/5满足其要求。

（c ）最大挤压深度L为防止过长的凸模，工作时容易弯曲，稳定性差。

查《挤压模具简明设计手册》P38表1-31 冷挤压工艺尺寸的极限数值知，L ≤（2.5～3.0）d 满足其要求。

根据零件图分析知，L=26mm 、d=23mm 故L ≤（2.5～3.0）d 满足其要求。

（d ）最大挤出长度L为防止挤出部分过长，润滑和退料将发生困难。

查《挤压模具简明设计手册》P38表1-31 冷挤压工艺尺寸的极限数值知，L ≤10d根据零件图分析知，L=23mm 、d=46mm 故L ≤10d 满足其要求。

二、挤压工艺分析1，坯料尺寸的确定根据挤压件毛坯的三维造型图，可以得到挤压件毛坯体积为96941.71853m m 。

市场出售标准圆钢直径有φ45，φ48，φ50，φ60，φ65mm 等，根据毛坯图最大直径为φ63.6mm,故选用直径为φ65mm 的圆钢。

下料方式采用带锯下料，因为剪切下料H/d ≥0.8(H —下料的高度；d —下料的直径)而板料冲裁下料利用率很低，带锯锯切的断面比较平整，一般不需要整形就可直接进行挤压，且材料利用率较高。

经计算得毛坯下料高度H=30.53mm2，毛坯软化处理市场提供20CrMo 材料，硬度≤197HBS 相对较高，晶粒粗大不均匀，塑性较差，变形抗力较大，若不经软化退火处理而直接进行冷挤压成形，则金属流动困难，棘轮套凸缘部位可能充填不饱满而法兰的边缘部位可能会出现局部开裂，模具也很容易损坏。

为了降低材料的变形抗力，提高塑性，应对坯料进行适当的退火处理，其退火规范如右图所示。

经过退火后的组织为细小均匀的晶粒组织，其硬度为HB130～140。

3，冷挤压毛坯表面处理与润滑毛坯表面处理与润滑主要包括以下内容：（a ）去除表面缺陷。

棘轮套毛坯，去除表面缺陷在冶金厂内进行，各挤压工序制件，由于润滑不当或模具的缺陷等原因往往会引起新的表面缺陷，必须在后续工序前去除表面缺陷。

（b ）清洁、去脂、为了清洁毛坯表面，以便经磷酸盐处理后使整个金属表面都能为磷酸盐处理层所覆盖，必须将毛坯上所有的油、沙、锈斑和垢壳彻底去掉，使全部金属表面都能够直接与磷酸盐处理液相接触。

该棘轮套采用化学去油的配方与工艺如下：氢氧化钠OH N a 60～100g/L碳酸钠(大苏打)32CO N a 60～80g/L磷酸钠43PO N a 25～80g/L水玻璃32SiO N a 10～15g/L处理温度 ≥85°C处理时间 15～25min在化学去油后，应当在热水中对毛坯进行冲洗。

一般在温度≥80°C 的热水中经过4～6次吊动即可。

去油效果检查十分简单，只要用水直接淋在零件上，如果已彻底去油，则水能浸润所有的表面。

（c ）去除表面氧化层结合棘轮套冷挤压工艺，由于先热处理再机械加工后下料，在机械加工中将表层热处理氧化层去除，故采用机械处理去表面氧化层。

（d ）磷化处理钢毛坯经磷酸盐处理后，在表面上形成磷酸盐处理层，可以避免挤压件产生鱼鳞状裂纹，可以避免模具的擦伤与碎裂。

在冷挤压变形中，其可作为润滑支承层。

经过磷酸盐处理及润滑处理后的钢毛坯具有十分理想的润滑性能，因而可以降低挤压力，防止零件表面裂纹，防止材料粘在模具上，提高模具寿命。