內花鍵冷擠壓工藝的優化

雷建波，鄭曉凱，楊顯紅

（1.海裝重慶局，重慶 400042；2.重慶大學 材料科學與工程學院，重慶 400044）

內花鍵是機械傳動中的重要零部件，主要起聯接和傳動作用，廣泛應用于汽車制造領域。冷擠壓是一種高精、高效、優質低耗的金屬塑性成形工藝。傳統的直接冷擠壓成形工藝，凸模對凹模側壁作用力大，花鍵不易從凹模取出，造成生產的不連續性及模具壽命減小。基于此，對內花鍵的擠壓工藝進行了改進和優化。

1 內花鍵冷擠壓工藝的改進

圖1 所示為內花鍵零件示意圖，為簡單回轉體零件，花鍵齒頂尺寸公差為0.3mm，且表面粗糙度要求為Ra6.3。采用冷擠壓成形工藝不僅保證內花鍵成形精度，而且提高零件的力學性能。本工藝與傳統的冷擠壓工藝相比，改進之處在于增加了一道預成形工序。圖2a 為傳統的直接成形內花鍵，屬于反擠壓成形，圖2b 為改進的間接成形，即在棒狀坯料上先預鉆成形孔，再冷擠壓成形內花鍵齒形，屬于正擠壓成形。

2 有限元模型的建立

坯料為塑性體，模具為剛性體（忽略模具變形），由于內花鍵套為簡單回轉體，所以只取1/2 進行數值模擬。坯料選用AISI-1035，楊氏模量Y=29987.1MPa，泊松比v=0.3，數值模擬采用剛塑性流動應力模型：，其中表示等效應變表示等效應變速率，T 表示變形溫度。剛塑性有限元理論基礎為馬克夫變分原理，在滿足變形速度與應變速率關系式、體積不可壓縮條件和速度邊界條件式的一切運動容許速度場vi中，使泛函數為：

3 模擬結果分析

花鍵冷擠壓過程中主要考慮兩個要點，其一是花鍵的成形質量要良好，其二是減小坯料對凹模側壁的作用力。在整個間接成形過程中，影響花鍵成形質量的主要因素有工藝孔直徑?、凸模導向部分入模半角α/2。采用不同尺寸的工藝孔直徑進行模擬，得出最優尺寸，然后對不同入模半角進行模擬，得出間接成形的最佳工藝參數。

3.1 工藝孔直徑的確定

圖3 所示為采用間接成形時，不同預成形工藝孔直徑成形內花鍵齒形的示意圖。可以看出，直徑越大，內花鍵齒形的成形精度越差，原因在于隨著直徑的增大，需要填充齒形的金屬材料就越多。根據最小阻力定理，大部分金屬都向軸向流動，很難向周向流動來填充齒形，從而導致內花鍵齒形成形精度難以保證。同時工藝孔直徑也不能太小，過小工藝孔使金屬在成形過程中與坯料的摩擦力增大，且向孔端面外流動，從而不能保證較好的端面質量及花鍵齒形精度。

圖3 間接成形內花鍵齒形

表1 所示為不同預成形工藝孔直徑對齒形精度和凹模側壁作用力的影響。可以看出，工藝孔直徑?取20.5mm 時，齒形未與凹模內壁接觸的最大距離最小，即齒形質量最好，端面也未出現褶皺等現象，尺寸精度達到生產規定要求。同時，在冷擠壓過程中，內花鍵齒形對凹模側壁的最大作用力F=8560N，遠小于直接成形時的作用力35500N，使花鍵容易取出，同時提高了模具使用壽命，如圖4 所示。因此，為保證生產連續性和提高生產效率，采用間接成形優化后的加工工藝優于直接成形，成形孔直徑?=20.5mm。

表1 不同預成形孔直徑對齒形精度和凹模內壁作用力影響

3.2 入模半角的確定

合適的入模半角不僅有利于花鍵齒頂的填充，而且金屬流動行程適中，使擠壓力減小。本文選取入模半角 α/2 為 20°、22.5°、25°、27.5°進行數值模擬分析，發現α/2 為25°時，凸模導向部分長度適中，擠壓力最小，且此時齒頂成形質量最好，故入模半角α/2 取25°。

4 結論

（1）與傳統的直接成形內花鍵相比，間接成形內花鍵對凹模內壁的作用力大大減小，使花鍵容易取出，同時提高了生產效率及模具使用壽命。

（2）通過模擬優化發現：間接成形內花鍵時，成形孔直徑?取20.5mm，入模半角α/2 取25°時，零件尺寸精度最高，為最優方案。

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