2.2 毛坯的制备及处理
2.2.1 坯料形状和尺寸确定
坯料形状和尺寸对冷挤压件的充填性能和模具寿命影响很大。根据齿轮轴的形状特点，同时为了便于送料以及有利于坯料的定位，故选用圆柱形坯料。
毛坯的体积是根据变形前后的体积不变定律计算的。计算过程如下：
1π×252×L 4111=π×252×10+π×182×38+π×14.52×15 444其中：L——坯料长，mm
经计算得L=35mm 即坯料尺寸为：φ25×35mm
等体积计算说明：本等体积计算是将轮齿部分近视为以分度圆直径为直径的圆柱体，此体积略大于轮齿部分体积，加工余量留在尾端部。
齿轮轴的冷挤压毛坯为φ25×35mm的圆柱体，因此我们采用在压力机上用截切模截切棒料的方法获得。用截切模剪截毛坯，材料最为节约，材料利用率几乎可以达到100%，生产率也高，但剪截毛坯的端面比较粗糙，端面与中心轴不能保持垂直，带有一定的斜度。因此在剪切之后，需用镦平模将端面压平后再进行冷挤压。
2.2.2 坯料的软化处理
中等强度的35号碳素钢在供应状态下的硬度为HB＞180，材料晶粒粗大不均，塑性较差，变形抗力大，若不经过软化退火处理而直接进行冷挤压，则成形困难，模具极易损坏。因此，为降低坯料变形抗力，提高塑性，在冷挤压成形前需对材料进行软化退火处理，其退火规范如图2-3所示。经软化退火后坯料硬度为HB145。
图2-3 35号钢退火规范[1]
Fig.2-3 the standard of the 35# annealing
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2.2.3 坯料表面处理及润滑
齿轮轴的冷挤压成形，其金属流动剧烈，变形量较大，坯料表面要求良好的净化和润滑处理。
在冷挤压中，为了降低坯料与模具之间的摩擦，减小模具磨损，延长模具使用寿命，改善和提高挤压零件的表面质量，必须采取有效的润滑手段。目前在碳素钢冷挤压中广泛采用磷化——皂化处理的润滑方法。磷化，就是将经过除油和酸洗、表面洁净的钢料放入磷酸锰铁盐或磷酸二氢锌水溶液中，是金属与磷酸相互作用生成不溶于水的磷酸盐膜层的过程。膜层的主要成分是磷酸铁和磷酸锌，膜层厚度一般为10~15微米，摩擦系数一般在0.05以下。
磷酸盐膜层有细小片状结晶组成，它坚实的粘附在钢材表面，与其牢固地结合在一起。这层膜层相当软，耐热、呈多孔状态，对润滑剂具有相当高的吸附作用。这种膜层还具有一定的塑性，能同钢坯一起塑性变形。由于它同钢的坚固结合，或者由于它实际上具有成为钢坯一部分的性质，所以在挤压时，遇到高的压力也能够承受得住，不会剥落。它能够在变形金属与模具之间起非金属隔离层的作用，防止金属与模具的直接接触，减少表面摩擦和防止模具的磨损、擦伤和粘结。
磷化膜本身的摩擦系数并不低，因此磷酸盐处理不能单独使用，在磷化的基础上，普遍采用皂化处理。皂化时，皂液深深地渗入到磷化层的毛细孔内，并且一部分达到基体金属。肥皂同时和晶体表面形成锌皂。皂化后的润滑层的厚度，取决于不同挤压工序的不同需要。在挤压阶梯形及深孔零件时，润滑层的连续性是否被破坏和转角处还残留有多少润滑膜，是判定润滑处理优劣的重要标志。如果在零件的局部或转角部位出现发亮的现象，说明该处无润滑膜存在，产生的主要原因是润滑膜的连续性遭到破坏或工艺方案及模具形状设计不合理。
典型的磷化—皂化处理基本过程为：除油——冷水洗——热水洗——酸洗——冷水洗——热水洗——磷化——冷水洗——热水洗——中和——皂化——干燥[2]。
35号碳素钢毛坯润滑处理，其皂化配方及工艺如下[4]： 硬脂酸钠（C17H35COONa）：5~9g/L 水（H2O）：1L 处理温度：60oC ~70oC 处理时间：10min
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2.3 冷挤压工艺方案设计
冷挤压的加工方式可分为三种：用盘料进行多工位连续加工；棒料切断，经校形、退火、磷化后，在专用挤压机或者普通压力机上挤压成形；在坯料直径与高度比大于三以上时，采用板料冲裁制坯，经退火、磷化后在普通压力机上挤压成行。
正挤压实心件的工艺设计要点[2]：
1）实心件的挤压工艺参数应限定在下列范围内： a尾端厚度大于杆径之半；
b最大挤出长度在杆径的10倍之内； c低碳钢材料的许用变形程度约为75%；
2）与挤压模腔尺寸接近的坯料，可以不经校形直接挤压；如果尺寸相差太大，以及
变形程度或挤压件精度很高，坯料还要校形。
3）原则上，正挤压的尾端与杆形部分之间应采取锥角过渡。如果挤压件是平面的直
角过渡时，为了避免挤压断面塌下和产生缩孔，应采取带凹窝的凸模挤压。
4）杆形部分的弯曲是不可避免的，工艺设计时，应从进一步提高坯料精度、采取有
效的润滑方法等方面想办法来减小弯曲。
5）尾端厚度尺寸和公差能够保证时，加工余量只留在杆形件的端头，否则两端都要
进行加工。
冷挤压变形程度的计算公式[2]为：
ε
其中：ε
A——许用变形程度
A=
A0?A1×100% （2-1） A0A0——冷挤压变形前毛坯的横断面积，mm2
A1——冷挤压后工件的横断面积，mm2
齿轮轴的最大变形程度由式（2-1）计算得：
11??252???14.524εA=4 12??254252?14.52=
252=59%
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[1]
而35碳素钢的许用变形程度为ε
Amax=0.55~0.63
，所以可以一次挤压成形。
因此，本设计中的齿轮轴采用第二种加工。
2.4 冷挤压模具材料
冷挤压模具是在极其恶劣的条件下工作的，工作应力高达200~250kg/mm2，在连续工作条件下变形热与摩擦热可使模具温度高达300℃左右，同时模具还要经受流动金属的强烈冲刷，因此模具材料必须具备以下的基本性能[1]：
1）高强度。模具材料必须具有较高的强度，在保持一定的韧性的条件下，还应具有较高的硬度，凸模热处理后，要求硬度在HRC61以上，凹模在HRC58~62之间。
2）高韧性。模具材料必须具有高的韧性和动载强度。这对于克服由冲击、偏心弯曲载荷、应力集中引起的折断破坏是很重要的。
3）高耐压能力。模具材料必须具有极好的耐压能力，在高的压力作用下不墩粗、不弯曲。这对于承受很高的轴向压力作用的构件来说非常重要。
4）高的耐磨性。模具材料必须具有较高的抗磨损能力，以便获得最高的模具寿命。 5）足够的耐热性。挤压使模具反复的经受温度升降的作用，材料内部受到拉伸和压缩的交变应力，从而使金属组织里的结晶产生间隙和局部的变形，结构产生裂纹。因此要求模具材料在工作温度下的硬度不变，具有良好的红硬性。
6）良好的工艺性能。这是获得高质量模具的重要因素。要求材料的脱碳敏感性小，热塑性高，锻造容易，切削加工和磨削性能良好。热处理时，应有宽的温度区间，变形和热裂倾向小。
常用的冷挤压模具材料主要有碳素工具钢、合金工具钢、高碳高铬模具钢、高速钢、硬质合金及部分合金结构钢。碳素工具钢主要用来制作凸模垫块、支撑、顶杆、退料器等；高碳高铬模具钢主要用来制造各种挤压材料的凹模；高速工具钢是制造凸模的理想材料；硬质合金钢用来制作凹模镶块；合金结构钢主要用来制造压套。
本设计中，凹模齿形镶块采用牌号为YG20的硬质合金，其热处理硬度在HRC65以上，另外两个镶块采用Cr12MoV，热处理硬度为HRC60~HRC62；凹模压套中层采用合金结构钢35CrMoA，最外层也采用合金结构钢35CrMoA，其热处理硬度为HRC40~HRC47；凸模采用Cr12MoV的模具钢，其热处理硬度为HRC60~HRC62；凹凸模垫块采用T 10A碳素工具钢[4]。
为了达到硬度要求，除材料要选用适当外，还必须正确选择和制定热处理工艺。
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3 挤压力的估算及挤压设备的选择
冷挤压的挤压力是设计模具的基础，选择设备的依据，并可借以衡量挤压成形的难易程度。因此，挤压力是一个重要的参数。
3.1 影响单位挤压力的主要因素
在工程计算中，常用单位挤压力（即平均单位压力）来表示，单位挤压力就是压力机通过模具施加于毛坯单位面积上的平均作用力，它与变形抗力的概念是不相同的。变形抗力是毛坯反抗于模具作用的反作用力，但是两者的大小相等，方向正好相反。因此，影响变形抗力的因素可以认为就是影响单位挤压力的因素。
单位挤压力是挤压工艺中的重要参数。无论是设计模具或者是选择压力机，都需要对单位挤压力进行分析和计算。生产实践表明，要精确估算各种因素对单位挤压力的影响，是非常困难的。单位挤压力首先取决于材料的变形抗力，而这两种力的影响因素是相同的。
1）材料性质
理论和实践都表明，挤压力随金属坯料的变形抗力的增加成线性的增加。挤压力与坯料状态有关。当坯料内部组织性能均匀时，所需的挤压力较小；经充分均匀退火的比退火不均匀的挤压力要小，且这一效果在挤压速度越低时越明显。挤压力还与挤压变形历史有关。在相同工艺下，二次挤压时所需的单位挤压力比一次挤压大。
金属材料经过软化热处理后，其抗拉强度和硬度都显著下降，因而变形抗力也就降低。因此，在冷挤压前，对毛坯进行软化处理是降低变形抗力的有效措施。
2）变形方式
当断面缩减率相同时，反挤压的单位挤压力最高，正挤压实心件与空心件比较接近，皆比反挤压低。
3）变形程度
变形程度是衡量挤压力的重要因素。随着变形程度的提高，变形抗力不断增加，挤压力越来越大。
4）挤压速度
在挤压过程中，除毛坯产生塑性变形外，部分变形能转换为温升，而且挤压速度越大，温升现象越明显。挤压速度对挤压力的影响为：当断面缩减率εF＜40%时，热效应的影响较小，加工硬化占优势，随挤压速度增加，单位挤压力略有增加；而当εF＞40%时，热效应的影响越来越大，毛坯温度升高，加工硬化得到一定程度的软化。因此，随着挤压速度
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