１、引 言
锯齿状轴套广泛用于汽车、拖拉机、工程机械等机械装备的离合器、起动机构和超越离合器等机构中，市场需求量很大。图 1 所示轴套是某摩托车起动机构上的关键零件，该零件为典型多台阶宽法兰轴类零件，形状复杂，精度要求高，成形工艺性差，尤其是锯齿状内齿的加工极其困难。图 1 轴套零件简图
该轴套常规加工工艺为热模锻后再切削加工， 因内齿无法锻出，只能采用插齿加工方法获得。插齿加工此种内齿轮不仅需要订制特殊形状的内齿轮插刀，而且生产效率低，工艺流程长，生产成本高，材料消耗大，材料利用率仅 40% 左右，且难以进行大批量生产。为了提高材料利用率，提高产品的合格率和生产效率，降低生产成本，现决定采用冷挤 压加工方法加工锯齿状内齿。
2、冷挤压坯料形状与尺寸确定
坯料形状与尺寸直接影响冷挤压加工时金属流动的均匀性、变形难易程度和模具的使用寿命，其确定原则如下： （1） 图 1 所示轴套是一种形状复杂的带轴法兰类零件，因此坯料也应是带轴法兰类零件。 （2） 为了节约金属材料，减少坯料的加工时间 ，可以用内齿部分的金属来成形一部分轴杆；同时 为了保证坯料能顺利放入冷挤压凹模型腔内并精确 定位，要求坯料的轴杆部分尺寸比冷挤压凹模相应部分的尺寸小 0.10 ～ 0.15 mm。 （3） 为了减少变形力，便于采用小吨位锻压设备 和提高模具的使用寿命，要求坯料的法兰部分尺寸 与冷挤压凹模相应部分尺寸相同，以保证在冷挤压 成形过程中不存在镦粗变形，金属主要沿轴向流动， 从而减少模具之间的接触面积。 （4） 为了保证冷挤压成形内齿的质量，避免挤 压件上端面存在“坡口”缺陷，减少后续机械加工量， 要求坯料的上端面为一锥台面。 综合以上因素，确定的冷挤压坯料形状尺寸如图 2 所示。图 2 冷挤压坯料3、冷挤压工艺
3.1 坯料的退火软化处理 图 1 所示轴套材料为 20CrMo , 要求表面渗碳淬火，渗碳层厚 0.3 ～ 0.8 mm，表面硬度 50 ～ 56 HRC， 心部硬度 38 ～ 42 HRC。为了减少挤压变形抗力，必须对车加工后的坯料进行退火软化处理，使其硬度控制在 125 ～ 145 HB；为防止坯料氧化脱碳，将坯料装在具有内、外盖的铁箱内，用砂子和铸铁屑密封后装入箱式电阻炉内退火，退火加热温度 ( 820 ± 10)℃ ，保温时间为 6 ～ 8 h，随炉冷至 500 ℃ 后空冷。 3.2 表面润滑处理 对坯料进行良好的润滑处理是获得表面质量良好、成形容易、充填饱满以及内齿轮表面粗糙度值小的冷挤压件的必要条件。本工艺采用磷化、皂化处理工艺对坯料进行表面处理，处理过程为：坯料在酸洗槽内进行酸洗→ 流动的冷水槽内清洗→ 具有碳酸钠溶液的中和槽内进行中和处理→ 流动的冷水槽内清洗→ 具有磷化液的磷化槽内进行磷化处理→ 流动的热水槽内清洗→ 具有溶融肥皂的皂化槽内进行皂化处理。坯料在冷挤压成形过程中还要在凸模工作部分涂 MoS2 ，以保证冷挤压内齿轮的尺寸精度和表面粗糙度。 3.3 工艺试验 该冷挤压工艺是在 YX32-315 型四柱液压机上进行的。为了精确控制压力机的滑块行程，保证冷挤压内齿深度的稳定性，在模架两旁的工作台上各安装了一个可以调节高度的刚性限位器。同时，为了防止在挤压过程中不确定因素造成的压力过大对模具寿命特别是对齿形凸模使用寿命的影响，本工艺中采用了通过控制压力机滑块行程来控制压力值的方法，即挤压力达到某一定值后，压力机滑块就自动回程。
为了保证冷挤压成形的内齿形与外径的同轴度符合要求，应首先紧固齿形凸模，保证齿形凸模的位置不动，然后再调整安放在下模座上的调整螺钉的长度，以调整凹模的位置，保证齿形凸模与凹模的同轴度在要求的范围内。４、模具结构设计
4.1 冷挤压模具结构
模具总体结构合理与否，直接影响冷挤压件的质量和模具的使用寿命。本模具结构如图 3 所示，一种下凹模可调式通用模架结构，能快速、方便地更换组合凹模、凸模、顶出器等零部件，同时还可以快速、精确地调节凸模和凹模的同轴度。模具具有如下特性。图3 冷挤压模具结构
［1 . 下模板 2 . 导柱 3 . 导柱压盖 4 . 调节螺钉 5 . 下模座 6 . 凹模套 7 . 上模板8 . 上模座板 9 . 导套 10 . 螺钉 11 . 上模垫板 12 . 齿形凸模套 13 . 上模外套 14 . 定位销 15 . 导套压盖 16 . 螺钉 17 . 上模压板 18 . 齿形凸模 19 . 下模压板 20 . 螺钉 21 . 凹模芯 22 . 下模垫板 23 . 定位销 24 . 推杆 25 . 推件器 26 . 螺钉］
(1) 齿形凸模具有加工经济性。本模具采用组合凸模结构，如图 4 所示，齿形凸模与齿形凸模套采用热压配，压配过盈量 0.15 ～ 0.2 mm。这不仅使齿形凸模制造容易，加工方便，凸模更换方便，还缩短了生产周期，降低了制造成本，而且也消除了模具尖角的应力集中，使模具承载条件得到改善，从而提高了凸模的使用寿命。 图 4 组合凸模结构
(2) 提高了凹模的承载能力。本模具采用预应力组合凹模，冷挤压凹模与凹模套之间采用 1.5º的锥度冷压配，压配过盈量为 0.25 ～ 0.3 mm , 如图 5 所示。既增强了凹模强度，又缩小了凹模尺寸，从而提高了模具寿命，降低了模具材料消耗，也便于后续的热处理及精加工。图 5 预应力组合凹模结构
（3） 保证了冷挤压件内齿与外径的同轴度要求。为了保证冷挤压过程中齿形凸模与凹模的同轴度在 0 ～ 0.10 mm，本模具在下模座上设计了4个对称分布的调整螺栓，可以在 X 轴和 Y 轴方向上调节凹模的位置，因此可以方便地调节凸模和凹模的同轴度。
4 . 2 齿形凸模结构设计 为了获得高精度、高质量的内齿形，提高凸模的使用寿命，在设计齿形凸模时应考虑如下因素： （1） 考虑材料的弹性变形以及冷挤压件的热 胀冷缩，对凸模工作部分的齿形角度及尺寸进行适当修正。 （2） 控制内齿形的锥度，保证冷挤压内齿轮上 、下锥度误差控制在许可范围内。凸模工作部分的 挤压带不能太长，且凸模朝挤压方向应带一后角， 以避免先成形的内齿出现变大的趋势。 （3） 防止凸模纵向开裂。将凸模工作端面设计成带一定锥度的锥面，使凸模在冷挤压过程中不仅承受轴向力作用，还承受径向力作用，而这种径向力可以有效防止凸模的纵向开裂。 （4） 为了提高凸模的使用寿命，防止凸模齿形部分的早期断裂，应尽量减少冷挤压变形力和摩擦力， 齿形凸模工作带以上部分应“消气”。 4 . 3 齿形凸模材料的选择与加工 齿形凸模的使用寿命除了与凸模的结构有关外，还与凸模的材料及热处理方法有关。对于冷挤压的齿形凸模，除了要求具有高强度、高硬度和高耐磨性以外，还需要有足够的韧性，以保证齿形凸模具有较高的刚度、小的弹性变形，凸模工作部分的齿形不容易断裂。 常用的高碳高铬冷作模具钢，如 Cr12、Cr12MoV 等， 当其热处理硬度达到 60 HRC 左右时具有高强度、高硬度和高耐磨性，但其韧性较差，采用这类模具材料制造的齿形凸模， 使用寿命一般在 1000 ～ 1500 件。 图 6 齿形凸模
W6Mo5Cr4V2 高速钢是一种含钨量较少的高速钢，碳化物颗粒细小，分布较均匀，当热处理硬度达到 60 HRC 左右时不仅具有高强度、高硬度和高耐磨性，还具有良好的韧性，完全能够满足齿形凸模的工作需要。采用这类模具材料制造的齿形凸模，使用寿命一般在 3000 ～ 5000 件。 本工艺选择 W6Mo5Cr4V2 高速钢作为齿形凸模的材料，齿形凸模制造工艺如下：原材料改锻→球化退火→粗加工→热处理→平磨→线切割→精加工→ 消气处理→研磨抛光齿形→去应力退火→与齿形凸模套热压配。 4 . 4 预应力组合凹模的加工 本模具凹模采用组合结构，凹模外镶一层预应力圈。模芯材料 Cr12MoV，预应力圈材料 45钢，采用 1.5º锥度配磨后冷压入， 利用预应力圈的残留应力给凹模以预紧力，从而提高凹模的承载能力。同时凹模型腔各部分应圆滑过渡， 以降低材料流动阻力，便于材料的充填，预应力组合凹模如图 7 所示。 图 7 预应力组合凹模5、结束语
采用冷挤压成形工艺生产的锯齿状内齿轴套精锻件如图 8 所示， 冷挤压的锯齿状内齿齿形饱满、轮廓清晰、尺寸精度高，且无锥度存在，冷挤压件外表面光洁、尺寸一致性好，机械加工余量很少， 显著降低了后续机加工工作量，缩短了生产周期。图 8 内齿轴套冷挤压件
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