齒輪空心坯正擠壓工藝參數對同心度的影響規律研究

馮文杰，況智允，陳瑩瑩，王　萍，劉左發

(重慶理工大學　a.汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室;b.機械工程學院; c.車輛工程學院， 重慶　400054)

冷擠壓成形齒輪是一種先進的齒輪加工方法，具有高效、節省材料、成本低等特點，正逐漸應用于實際生產中[1-2]。采用冷擠壓成形齒輪時，擠前空心坯的成形質量，特別是空心坯內孔和外圓的同心度，對最終齒輪的成形精度有較大的影響。空心坯在采取冷擠壓成形時，無論是正擠壓或反擠壓，凸模的彎曲變形是影響擠壓件同心度的主要因素。減小凸模的彎曲變形對保證空心坯的同心度非常重要[3-7]。

本文選取某重型汽車用輪邊減速器行星齒輪空心坯為研究對象，材料為20CrMnTi，采用實心坯料正擠壓工藝成形內孔。在成形過程中，由于金屬流動的不均勻性，使下凸模受到側向力而發生彎曲變形，從而降低擠壓件內孔與外圓的同心度。因此，本文將對影響下凸模彎曲變形的主要因素進行分析，為減輕下凸模彎曲變形、提高產品成形質量奠定基礎。

1　有限元模型建立

剪切摩擦模型：認為接觸面間的摩擦力不隨正壓力大小而變，適用于高接觸壓力的塑性成形問題。即公式為τ=m·k，式中：τ為摩擦應力；m為摩擦因子；k為剪切屈服極限。故摩擦應力與相應條件下變形金屬的性能和摩擦因子有關。

圖1　齒輪空心坯擠壓件

2　數值模擬結果及分析

選取下凸模頂端的中心點p1為追蹤點，隨著上凸模向下運行到坯料的壓余厚度為8 mm時停止，得到隨上凸模行程的徑向偏移曲線。由于下凸模屬于懸臂梁結構，在擠壓過程中其頂端偏斜最大，因此下凸模頂端的中心點p1的最大偏移量即代表了其在擠壓過程中的最大彎曲變形[9]。由于在擠壓過程中下凸模與凹模之間的徑向偏移誤差、工作帶長度及錐頂角大小會對下凸模彎曲變形產生主要影響，因此本文將從這3個方面進行分析。

2.1　下凸模與凹模之間的徑向偏移誤差對下凸模彎曲變形的影響

由于制造誤差和裝配誤差的存在，下凸模與凹模的中心線不可避免會發生徑向偏移,如圖2(b)所示。這種偏移會使金屬在流動過程中產生側向力，使下凸模發生彎曲變形，從而造成零件內孔與外圓的不同心。因此，下凸模與凹模之間的徑向偏移誤差是影響零件同心度的重要因素[10]。為了保證零件的同心度，將研究下凸模與凹模之間的徑向偏移誤差對下凸模彎曲變形的影響規律。在數值模擬過程中，將下凸模向+x方向偏移0.01、0.03、0.05、0.07、0.09 mm，工作帶選擇4 mm，錐頂角選擇11°，得到如圖3所示的追蹤點圖(負號代表向左邊偏移)和圖4所示的變化趨勢。由圖4可知：下凸模產生的最大偏移量隨著徑向偏移誤差增大而增加。當徑向偏移誤差從0.01 mm增至0.05 mm時，下凸模的最大偏移量增加較慢。當徑向偏移誤差從0.05 mm增至0.09 mm時，下凸模的最大偏移量增加較快。因為隨著徑向偏移誤差的增加，在成形過程中金屬流動的不均勻性更為強烈，在擠壓過程中下凸模受到的側向力也會逐漸加大，發生更明顯的彎曲變形。為了減小下凸模在成形過程中受到的側向力影響，在實際生產中需要嚴格控制下凸模與凹模之間的徑向偏移誤差。

圖3　偏移誤差為0.05 mm的追蹤點

2.2　工作帶長度對下凸模彎曲變形的影響

工作帶在齒輪空心坯冷擠壓過程中對向下流動的金屬起到約束塑性變形的作用。本文以工作帶長度為變量，研究其對下凸模彎曲變形的影響。在數值模擬過程中，基于下凸模與凹模之間徑向偏移誤差u=+0.0 3 mm，錐頂角選擇11°，工作帶長度取2、 4、6、8、10 mm進行分析，得到如圖5所示的追蹤點和圖6所示的變化趨勢。由圖6可知：下凸模產生的最大偏移量隨著工作帶長度的增加逐漸減少；當工作帶長度超過6 mm時，曲線逐漸平穩趨于一條水平線。繼續增加工作帶長度對降低彎曲變形的效果不明顯，反而使其有效工作部分與坯料的接觸面積增加，產生更大的阻力，導致成形載荷增加。結合生產實際及成形載荷大小的影響，綜合考慮，工作帶長度選擇6 mm時對減輕下凸模彎曲變形較為合適。

圖5　工作帶長度為6 mm的追蹤點圖

2.3　錐頂角對下凸模彎曲變形的影響

錐頂角是凸模設計中的重要參數之一，從利于金屬流動和提高模具壽命出發，其最佳錐頂角選在7°～27°。本文為了研究錐頂角對下凸模彎曲變形的影響規律，同樣基于下凸模與凹模之間徑向偏移誤差u=+0.03 mm，工作帶長度選擇6 mm，錐頂角選取9°、11°、13°、15°、17°進行模擬分析，得到如圖7所示的追蹤點和圖8所示的變化趨勢。由圖8可知：當錐頂角從9°增至17°時，追蹤點p1所代表的偏移量逐漸減少。由此可見，錐頂角越大越有利于減輕下凸模的彎曲變形。其原因是錐頂角越大，錐面越長，金屬向下流動時與下凸模頭部表面的接觸面積增多，在成形過程中增加了其縱向穩定性；但當錐頂角從13°增至17°時，偏移量的下降趨勢將逐漸變緩，同時錐頂角過大會造成材料的浪費，因為角度逐漸增大時，向下凸模錐面流入的金屬增多，機加工切除的上端材料也相應增加，這樣不利于節省材料。綜合考慮，錐頂角選擇15°～16°較為合適。

圖7　錐頂角為13°的追蹤點

3　工藝試驗

綜合以上各工藝參數對下凸模彎曲變形的影響規律，進行兩組工藝試驗：在第1組試驗中，工作帶選擇4 mm，錐頂角選擇11°，下凸模與凹模直接裝配；在第2組試驗中，工作帶選擇6 mm，錐頂角選擇16°，下凸模與凹模裝配時采用定位套定位，如圖9所示，定位套與下凸模間隙控制在0.01 mm，與凹模間隙控制在0.01 mm,從而保證下凸模與凹模之間的同軸度。擠壓前對坯料進行軟化退火及磷化皂化處理，在8 000 kN的油壓機上進行，如圖10(a)所示。擠壓后分別隨機抽取5件進行同心度測試，如圖10(b)所示，得到如表1所示的測試結果。結果表明：第2組零件的同心度明顯優于第1組零件的同心度。因此，優化后的工藝參數有助于改善零件同心度，同時也為后續研究奠定基礎。

圖9　定位套定位的示意圖

件號第1組第2組1?0.32?0.052?0.55?0.133?0.25?0.234?0.45?0.205?0.60?0.18

圖10　工藝試驗實物圖

4　結論

1) 下凸模與凹模之間的徑向偏移誤差越大，擠壓過程中下凸模產生的彎曲變形量越大。因此為了保證零件的同心度，下凸模與凹模之間的徑向偏移誤差控制得越小越好。

2) 適當增加工作帶長度有利于減小下凸模的彎曲變形，但過長的工作帶會增加成形載荷力，所以工作帶長度取6 mm比較適宜。

3) 在避免過多底部材料浪費的情況下，適當增大錐頂角可以在成形過程中增加下凸模的縱向穩定性。綜合考慮，最優錐頂角選取15°～16°時為最佳。

參考文獻：

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