渐开线内花键冷挤压成形工艺研究
刘光辉;刘华;王涛;孙红星;刘百宣;许午阳
【摘 要】基础设施英文目的：研究渐开线内花键冷挤压成形工艺。方法根据渐开线内花键的结构特点，提出了两种渐开线内花键冷挤压成形工艺方案。采用Deform-3D有限元分析软件对提出的工艺方案进行数值模拟，分析了两种方案的载荷位移曲线、方案二中不同坯料孔径和摩擦因子对渐开线内花键成形质量的影响等。结果提出的两种工艺方案均可在模具许用应力范围内成形渐开线内花键，通过数值模拟，获得了成形过程中的工艺参数，揭示了渐开线内花键冷挤压成形过程的变形机理。结论提出的渐开线内花键冷挤压成形工艺，对实际生产及其他相似零件具有指导意义。%The aim of this study was to rearch cold extrusion forming process of the involute inner spline. Bad on the structural characteristics of the involute inner splines,came up with two cold extrusion forming technology schemes of involute inner spline. The process were numerically simulated through Deform-3D,different process of different stages were analyzed. The load-displacement curve of the two schemes,different blank inside diameter and friction coefficient of involute spline forming quality of scheme tw
o and so on. The involute inner spline can be shaped within the allowable range of stress of the die by the two schemes propod. The process parameters of the process of forming were obtained and the results revealed the deformation mechanism of the involute inner spline during cold extru⁃sion forming process through numerical simulation. The propod cold extrusion forming process of the involute inner spline has significance for the actual production and other similar parts.
【期刊名称】cornflakes《精密成形工程》
【年(卷),期】2016(000)001
【总页数】6页(P67-72)
【关键词】渐开线内花键;冷挤压;数值模拟
【作 者】刘光辉;刘华;王涛;孙红星;刘百宣;许午阳
【作者单位】梵文翻译器郑州机械研究所，郑州 450001;郑州机械研究所，郑州 450001;郑州机械研
究所，郑州 450001;郑州机械研究所，郑州 450001;郑州大学机械工程学院，郑州 450001;郑州机械研究所，郑州 450001
【正文语种】中 文我想你英文
【中图分类】TG376.3
渐开线内花键广泛应用于汽车制造领域，目前渐开线内花键的成形方法主要有拉齿和插齿加工，其生产效率和材料利用率都很低，不能满足大批量的生产需求。冷挤压成形是一种无屑成形的先进制造技术之一，它具有优质、高效、低耗等优点，生产效率比拉齿、插齿加工要高几倍到十几倍，材料利用率可达到70%～80%[1—5]。随着渐开线内花键需求量的增加，如何进一步改进渐开线内花键的成形工艺，提高其材料利用率和生产率，降低能耗和生产成本，是目前世界各国加工业追求的目标[6—9]。有研究表明，采用冷挤压成形的内花键具有连续的金属纤维流线，其内部可形成致密而均匀的材料组织，避免了拉削加工的缺陷[10—12]。
本文以某汽车同步器齿套为研究对象，对这种零件的渐开线内花键制定了两种冷挤压成形
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工艺方案，然后对制定的成形工艺进行数值模拟研究，根据模拟结果，进一步优化工艺，为今后渐开线内花键的成形提供了参考。落伍的英文
锻压工艺合理与否直接影响材料的利用率、模具结构、锻件的质量和生产率，甚至决定模具开发的成败，因此，在成形工艺制定前需要对零件进行工艺分析，找出成形的难点所在，以便在工艺安排上重点考虑[13—14]。本文研究对象为某汽车3/4档同步器齿套，材料为20CrMnTi，其内圈渐开线花键参数：齿数为45，模数为1.62，压力角为20°，分度圆直径为Ф 72.9 mm，齿廓总偏差为0.014，螺旋线偏差为0.013。实体造型如图1所示，成形的难点是如何在模具许用应力允许范围内保证内花键齿形的充填饱满。
2.1 方案1工艺方案制定
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方案1模具结构如图2所示。在这种成形模具的基础上，主要考虑采用单向挤压还是双向挤压。单向挤压时，摩擦力全部向上，而且随着挤压的进行，充填到模腔的材料越来越多，摩擦力越来越大，这会导致内花键上部充满时下部仍未充满，而要使得内花键下部充满，必须施加更大的力以克服模具的摩擦力。双向挤压时，上下齿形冲头同时同速运动，摩擦力在坯料高度方向上呈对称分布，这有利于坯料上下端的充填，降低成形力，这时的摩擦
就转化为有效摩擦。综合以上分析，制定方案1的成形工艺为双向挤压工艺。根据模腔尺寸和体积相等原则，确定坯料的尺寸为Ф90 mm×Ф75 mm×30 mm。
2.2 方案2工艺方案制定
羊皮卷之一方案2模具结构如图3所示。在这种渐开线内花键的成形模具中，齿形冲头是最重要的工作零件，为了方便坯料的定位，在齿形冲头的下端设置一段不带齿形的导向结构。模具导向部分的直径要比坯料的内孔径稍小，这样能够保证导向部分与坯料内孔之间为间隙配合，使其顺利进入坯料内孔。齿形冲头下端有一个30°入口角，这样既能保护齿形冲头，增加模具寿命，又可以避免成形开始阶段成形力陡增的现象。在齿形冲头上端有一个凸台，此凸台的作用是在成形最后阶段镦整锻件上端面，以保证齿形充填饱满和减少后续的机加工，图4为齿形冲头三维造型。在挤压程中，坯料受到来自齿形冲头的力，一方面使坯料沿冲头斜面沿轴向流动，完成齿腔的充填；另一方面使材料一直处于压应力状态，整个变形材料始终受到三向压应力作用，使金属流线较均匀。其中凹模有两部分，上部是为了放置坯料，内径稍微大于或等于坯料的外径，下部是为了方便凸模导向端顺利进出，其内径应和导向端直径相等或略大于导向端直径。
对于方案2，环形坯料内孔直径的尺寸对渐开线内花键冷挤压成形质量至关重要，它直接影响成形件的充填质量。如果坯料内孔直径过小，在成形过程中会造成过多的金属堆积在下部，导致变形死区过大，不利于金属流动；而如果坯料内孔直径过大，虽然会减小变形死区，在一定程度上降低成形力，但会造成齿形充填不满，影响成形质量。为了保证充填质量和良好的金属流动，坯料的内孔直径应在齿形冲头齿根圆直径和分度圆直径之间（Ф70.2 mm～Ф72.9 mm）[15]。为了研究不同坯料内孔直径对成形质量的影响，分别取内孔直径为Ф70.2 mm，Ф 71 mm，Ф72 mm，外径为Ф90 mm的坯料。
3.1 模拟条件的设定
将模具几何模型导入到Deform-3D有限元模拟软件中，设置模拟工艺参数对工艺方案进行数值模拟，模具材料定义为刚性。为保证模拟结果的准确性，网格划分要细，采用四面体网格划分，网格数取为20万个，并对内花键部分进行局部网格细化。坯料在冷挤压成形过程中与模具的接触应力很高，在这种情况下，采用剪切摩擦模型能够很好地反映挤压过程中的实际情况，因此模拟时选用剪切摩擦模型。由于是冷挤压成形，温度设定为室温（20℃）。
3.2 方案1数值模拟结果分析
3.2.1 成形载荷分析
图5为方案1模拟成形过程中的载荷-行程曲线，从图5中可以看出，上下齿形冲头载荷-位移曲线基本重合，说明挤压过程中受力均匀，上下摩擦力对称分布。挤压过程中最大成形载荷约为4300 kN，模具最大单位压力约为1940 MPa，在冷锻模具许用应力范围之内（冷锻模具最高许用应力一般小于2500 MPa）。在最后阶段坯料与模具的接触情况如图6所示。gloomy什么意思
3.2.2 等效应力分析
图7为方案1挤压过程中的内部截面的等效应力分布云图，从图7中可以看出，挤压过程中应力分布均匀，没有出现应力集中现象。随着变形量的增加，应力逐渐增大达到材料的屈服强度，产生塑性变形，使得内花键齿形充填饱满。
3.3 方案2数值模拟结果分析
3.3.1 成形载荷分析
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图8为孔径为Ф70.2 mm的坯料模拟过程中模具的行程-载荷曲线，从图8可以看出，成形过程大致分为3个阶段：第1阶段齿形冲头与环形坯料逐渐接触，被挤压出的金属向下流动，此阶段载荷逐渐增大；第2阶段下端被挤出的金属被逐渐切断，成形载荷逐渐降低；第3阶段为镦整锻件上端面的过程，在此阶段形成形载荷急剧增大。总的来说，成形载荷是先逐渐增加而后降低，最后又急剧增加，这与实际情况相吻合。因为齿形冲头在运动过程中，被挤压出的金属逐渐向下流动，齿形冲头阻力逐渐增加，因此载荷逐渐增大；而当这些金属被逐渐切断后，齿形冲头阻力减小，载荷又逐渐降低；而最后的镦整上端面过程金属逐渐充满模具模腔形成封闭挤压，导致成形载荷急剧增加。前2个阶段齿形成形过程中最大成形载荷约为716 kN，第3阶段镦整锻件上端面过程中最大成形载荷为2310kN。在最后阶段坯料与模具的接触情况如图9所示。
3.3.2 等效应力分析
Ф70.2 mm的环形坯料成形过程中内部截面等效应力分布如图10所示。从图10中可以看出，第120步时最大应力集中在坯料下端，最大值为841 MPa。随着冲头的运动，被挤出的金属被逐渐切断，从164步和205步可以看出坯料下端被挤出金属在逐渐减少，随着冲头
向下运动，成形最后阶段最大应力为850 MPa。而20CrMnTi材料的屈服强度σs≥835 MPa，所以材料在强大的作用力下发生不可恢复的塑性变形。
3.3.3 摩擦因子的影响
在金属成形过程中，摩擦往往会伴随着金属的塑性流动，大多数情况下，摩擦都会产生消极的作用。坯料与模具的接触面上的摩擦不仅影响金属的变形和挤压件的质量，而且也直接影响挤压单位力的大小、模具强度与寿命，因此挤压时的润滑十分重要。摩擦因子对渐开线内花键冷挤压成形过程中齿形冲头所受挤压力的影响如图11所示。从图11中可以看出，随着摩擦因子的增大，挤压载荷逐渐增大，这将会引起变形力和变形功的增大，加剧模具的磨损，降低使用寿命。为了降低挤压过程中的挤压载荷，减少模具磨损，提高锻件质量，挤压前必须对坯料进行良好的润滑处理，一般使用高分子润滑剂。
表1给出了3种不同坯料孔径数值模拟的参数值。通过不同坯料孔径数值模拟结果可以看出，其对渐开线内花键冷挤压成形有一定的影响，由于Ⅰ和Ⅱ阶段同为齿套内花键齿形的充填过程，Ⅲ阶段为镦整锻件上端面过程，因此相互比较时只考虑出现最大成形载荷的Ⅰ阶段和Ⅲ阶段。随着坯料内孔直径的增加，挤压过程中的最大成形载荷逐渐减小，这是因为内
孔径越大，在挤压过程沿齿形冲头向上流动的金属和被齿形冲头向下挤出的金属越少，最后的成形力也越小。
3.4 方案1和方案2对比分析
从以上模拟结果分析可以看出，方案1渐开线内花键齿形充填饱满时的载荷达到430 t，方案2中，虽然不同坯料孔径对成形载荷有一定影响，但是内花键齿形充填饱满时载荷最大为70.6 t，镦整上端面的最大载荷为231 t，都明显小于方案1中的成形载荷，这将显著提高模具寿命，因此方案2更具参考意义。
