1、孟令先 宋学进：起动导向筒的净成形工艺研究37起动导向筒的净成形工艺研究郑州机械研究所 孟令先 宋学进摘要本文研究的起动导向筒是汽车起动机中的关键零件，其型腔上部为不规则异型复杂曲面，下部为螺旋渐开线小模数内花键，异型曲面与螺旋内花 键 的同轴度要求较高。 为满足日益发展的汽车生产厂家及零配件市场的批量要求，提高汽 车整车 的综合性能,通过反复的工艺试验、分析、研究,制定出了一种将汽 车起动导向筒的内曲面与螺旋 渐开线内花键净成形的高效精密成形技术及工艺方法，设计、制做的成形模具及模架结构简单 、新颖、寿命高。已批量生产的起动导向筒，经工艺考核，装机试验后证明：生产效率及精度高，使用寿命长，社
2、会效益和经济效益显著。因此，该工艺技术对 批量生产该类导向筒和斜齿轮， 具有广泛的指导意义和推广价值。关键词：起动导向筒；净成形；螺旋内花键 Study on the Net-forming Technology for Free-wheel Hub for StarterAbstractThe free-wheel hub for starter is the key part of automobile starter, its upper part is the cavity for the complexity of the irregular shaped surface ，the
3、lower part is involute small module internal helical spline . Its coaxiality is higher. Meeting the needs of markets and improving comprehensive function of automobiles, the high efficiency precision forming technology is put forward based on analysis, study ，trail and error. In the same time, a set
4、 of high accuracy die with simple novel structure and long service life is designed and manufactured. The advantages of the technology have been verified. Production efficiency, precision of the product is high and life is long. For this reason, the net-forming technology is profitable reference for
5、 producting the same type of the free-wheel hub for starter and helical gear. Keyword: Free-wheel hub for starter; Net-forming; Hlical internal spline1 概述 随着我国汽车工业的发展，对汽车起动机的需求量与日俱增。本文的研究对象是汽车起动机中的关键零件导向筒，其头部型腔为异型复杂曲面，下部为小模数螺旋渐开线内花键。螺旋内花键现采用拉削工艺加工，效率低成本高，内在质量差已远不能满足日益发展的汽车生产厂家及零配件市场的批量需求。通过反复的工艺试验、分
6、析、研究,我们制定出了一种将汽车起动导向筒的内曲面与螺旋内花键净成形的高效精密成形技术及工艺方法，该工艺符合我国高效、低耗、优质的产业政策，受到了起动机生产厂家的欢迎，取得了显著的社会效益和经济效益。2 工艺分析本文研究的起动导向筒是某汽车起动机中的关键零件（图 1 示） ，其型腔上部为异型复杂曲面，下部为小模数螺旋渐开线内花键，异型曲面与螺旋内花键的同轴度要求较高。该件原加工工艺是：下料（棒料）冷挤压上曲面机加工内孔拉削花键成品，这种方法生产效率低，成本高，内花键表面易产生微裂纹，无法满足迅猛发展的汽车工业的需求。为了最大可能地提高生产效率，为了使起动导向筒达到少无切削加工，通过分析研究，我
7、们认为可以采用塑性精密成形加工技术来替代原来的切削加工制造工艺以使内花键净成形。由于该导向筒的螺旋内花键，自身要承受较大的瞬间承载力，同时又兼定心和导向作用，所以，其同轴度和机械强度都要求较高，这样其塑性成形就相当于内螺旋斜齿轮的净成形，难度比较大，需要采取有效的工艺措施。根据零件的结构特点，我们确定该起动导向筒的工艺流程为：下料软化处理去氧化皮处理润滑处理镦粗制坯（或减径）润滑内曲面净成形机加工内孔润滑处理螺旋内花键净成形成品。第 3 届全国精密锻造学术研讨会论文集（2008 年 12 月 3-5 日江苏盐城）38R0.58 1.517.50260.113均 布1.805图 1 某型车起动导
8、向筒毛坯图3 模具设计、加工3.1 挤压力的计算挤压力是设计模具的基础，也是选用模具材料和挤压设备的重要依据，根据诺模图(图算) 法1，查表得出，起动导向筒的最大挤压力 P 近似为 5500kN，这与经验公式 PpF 1计算所得结果近似。3.2 模具设计、加工由于净成形制件的精度取决于成形模具的精度，所以模具设计时，不但要依据净成形工艺方案，还应根据制件的结构特点及零件的同心度要求，综合考虑后续机加工等事宜，使所设计的模具既简单实用，又便于更换，同时又易于机械加工制做。为此，我们在精心确定精密成形的工艺参数后，设计了一套结构简单、倒装式的异型曲面成形凸模和分体组合凹模（模具图略） ，这样既保证
9、了模具的加工精度又节省了模具材料 3；根据力学分析，导向筒的螺旋渐开线内花键塑性成形时必须有径向力与摩擦力相平衡，即有一旋转装置，要么凸模转动，要么凹模转动，或者是毛坯转动。综合多种因素，我们设计了一套螺旋内花键净成形模具，该模具的独创之处在于将成形凸模做成分体组合式，凹模固定，导向筒毛坯则处于自由状态，而成形凸模却是活动的。这样就舍弃了繁琐的旋转装置，降低了模具生产加工成本。模具简图见图 2。3.3 模具材料及热处理为了满足起动导向筒量大精度高的要求，净成形模具需选用耐磨损、变形小、寿命高的模具材料。综合考虑多方面因素，我们选用基体钢模具材料 7Cr7M02V2Si（简称 LD） ，该材料的
10、淬火温度一般在 1150 1180范围内，回火温度范围较宽，可在 500620 之间选择。因为淬火与回火温度的选择与该钢的硬度、晶粒度残余奥氏体数量和机械性能等有密切关系，所以要充分发挥该钢的高强度、高韧性之优势，需选择合理的热处理工艺。经工艺试验和生产应用，该起动导向筒净成形用模具的综合性能好，模具寿命高 2，其模具材料 LD的热处理规范为：11501170 淬火，550600回火。4 工艺试验及批量生产4.1 毛坯退火为了降低坯料的变形抗力，提高金属材料的塑性，需要在净成形前对毛坯进行适当的软化处理退火，以改善金属坯料的内部组织。而退火处理工艺如选择不当，会使坯料的硬度高低不一，造成压力猛
11、增或模具磨损加剧，直接影响设备及模具的使用寿命及制品的表面光洁度。经过反复的工艺试验和生产验证，该起动导向筒毛坯(20Cr)的退火处理规范为：随炉升温至 840880 ，保温 58 小时，然后随炉冷却至 300出炉，使得经退火处理后的孟令先 宋学进：起动导向筒的净成形工艺研究39毛坯硬度控制在 l40HRB155HRB 之间，宜于起动导向筒的塑性净成形。810942357643210图 2 螺旋内花键净成形模具4.2 毛坯制备根据产品零件的尺寸形状及金属体积不变原则，确定毛坯下料尺寸，通过镦粗（或减径）的工艺方法将毛坯制成如图 3a 所示。通过机加工的方法将成形螺旋花键毛坯制成如图 3b 所示
12、。4.3 坯料润滑处理毛坯表面的润滑处理是塑性成形时的一道重要工序，毛坯表面润滑的好坏对成形件的表面质量及模具寿命有很大的影响，因此，我们采用一种新型的水基高分子润滑剂润滑，克服了传统的磷化皂化方法的弊端。该润滑剂操作使用方便简单，工艺质量容易控制：将退火后的毛坯经去氧化皮处理后直接放入高分子润滑剂中浸涂，然后自然干燥或烘干，使润滑剂附着在坯料表面，形成一层黑灰色的润滑膜。金属塑性变形时，既可大大减少摩擦阻力提高模具寿命，又可提高成形件的表面光洁度，满足了塑性净成形工艺的使用要求。4.4 工艺试验及批量生产工艺试验时应小心地将模具装配好，以保证净成形件的尺寸精度。通过反复的工艺试验，及时完善工
13、艺参数，净成形了符合要求的起动导向筒内曲面和螺旋渐开线内花键。经用户检测、加工、装机跑合等，认为我们所提供的净成形的起动导向筒质量好，精度高，性能优越，完全满足了使用要求。经生产考核后现已批量生产，以满足市场需求。 图 3a图a) b)图 3 毛坯形状5 经济效益和社会效益 经过塑性净成形的起动导向筒，材料组织致密且纤维不被破坏，特别是塑性净成形的螺第 3 届全国精密锻造学术研讨会论文集（2008 年 12 月 3-5 日江苏盐城）40旋渐开线内花键，具有连续的金属纤维流线，避免了拉削加工时在槽根部形成的刀痕、微观裂纹和光洁度差等不足，从而大大提高了起动导向筒的导向可靠性和灵活性，使得导向筒的
14、使用寿命得以提高，减少了意外事故的发生，从而具有良好的社会效益。采用净成形工艺生产的汽车起动导向筒，由于缩短了工时，减少了刀量卡具、人力物力的浪费又提高了产品的精度和质量，因此使得生产成本大大降低，利润提高，具有显著的经济效益。6 结束语塑性净成形工艺技术是提高产品性能与质量的关键技术，它能够缩短产品的制造周期，降低生产成本、减轻重量，更重要的是可以提高零件的最终尺寸精度、光洁度和综合性能，极大地提高了产品的安全可靠性和寿命。已批量生产的起动导向筒经工艺考核，装机试验、跑合后证明：该起动导向筒的塑性净成形工艺合理、方案正确，模具设计简单，从而使得净成形的导向筒内曲面和内螺旋花键充满良好，无需再机加工即可使用，达到了塑性净成形起动导向筒的设计要求。因此，该起动导向筒净成形工艺技术对批量生产该类导向筒、螺旋内花键、斜齿轮等具有广泛的指导意义和推广价值。参考文献1 洪慎章. 冷挤压实用技术M . 北京： 机械工业出版社 . 2004 .(141153)2 孟令先, 宋学进 张元国 冷作模具的失效分析与预 防措施 锻 压 技 术 J ISSN 1000-3940 2007.3（134-136）3 孟令先,宋学进 内外齿形件挤压模具P.中国：实用新型专利：ZL200420075466.X，2006.3.15
