基于數(shù)值模擬的汽車差速器齒輪冷擠壓工藝方案

馮文杰，楊創(chuàng)創(chuàng)，陳瑩瑩，王 萍，周 鳳

(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)

差速器是汽車的重要傳動部件，其齒輪具有傳動平穩(wěn)、噪音小、承載能力大等優(yōu)點。隨著汽車產業(yè)的飛速發(fā)展，對差速器齒輪的質量要求和產量需求越來越高。傳統(tǒng)切削加工的制造方法不僅破壞了齒輪的金屬流線，降低了產品的強度，而且工藝較為冗雜，生產效率較低，難以滿足現(xiàn)代制造業(yè)的要求。冷擠壓是一種先進的制造工藝，可改善以上現(xiàn)狀，大幅度提高齒輪的綜合機械性能，具有明顯的優(yōu)勢，已逐漸在國內推廣開來[1-2]。

目前，國內的汽車差速器齒輪主要通過閉塞冷擠壓的方法來加工，但此方法存在成形力大、模具壽命低、對設備要求較高、擠壓件成形質量難以保證等問題[3-4]。因此，本文以某汽車差速器半軸齒輪為研究對象，對其成形過程中的問題進行研究，提出了軸向分流擠壓成形方法來解決齒輪成形問題，并分析了凸模球面直徑、入模半角以及分流口臺階厚度等工藝參數(shù)對成形質量與成形力的影響規(guī)律，為優(yōu)化差速器齒輪冷擠壓工藝提供理論依據(jù)及技術保障。

1 有限元模型建立

圖1為某汽車差速器半軸齒輪零件圖，分錐角為55.304 8°，根錐角為46.426 6°，頂錐角為62.192 2°，大端直徑為Φ63 mm，齒輪材料為20CrMnTi，半軸齒輪參數(shù)如表1所示。

圖1 差速器半軸齒輪零件圖

表1 半軸齒輪參數(shù)

2 金屬流動缺陷分析

傳統(tǒng)的差速器齒輪正擠壓成形工藝方案如圖2所示，將軟化退火后的圓柱坯料放入凹模型腔中，利用平底凸模向下擠壓坯料，迫使金屬充填凹模型腔，從而成形出齒輪。

圖2 正擠壓工藝方案

根據(jù)最小阻力定律，金屬在外力作用下發(fā)生塑性變形時，內部各質點總是沿著阻力最小的方向流動[ 5 ]，為了減小金屬材料在成形過程中所受到的成形阻力，通過在凹模型腔底部設置分流孔[6-7]提高模具型腔的填充性，降低成形力，從而延長模具的使用壽命。

圖3為正擠壓坯料的金屬流動速度分布，由圖可知，由于差速器齒輪結構復雜，模具與坯料間的摩擦力大，金屬流動阻力大。擠壓開始時，坯料中心金屬的流動速度大于外部，且隨著成形的進行，內外兩部分的速度差逐漸增大。

圖3 正擠壓坯料的金屬流動速度分布

由于中心金屬流動過快，金屬極易堆積在小端分流口邊緣，導致小端齒頂處出現(xiàn)大面積“缺肉”現(xiàn)象，如圖4所示。成形結束后，齒輪擠壓件存在明顯的齒形缺陷，即小端齒頂附近金屬充填不飽滿，而其他部位剩余金屬較多，機加工量增加，造成材料利用率低，生產成本較高。

圖4 齒形小端成形缺陷

3 軸向分流擠壓工藝方案設計

為了解決擠壓件小端齒頂附近金屬難以充填飽滿的問題，本文提出了如圖5所示的軸向分流擠壓工藝方案，即在凹模每個齒形小端下設計分流口，共13個，與中間分流大孔相連，使金屬在齒輪擠壓成形時沿齒形小端分流口發(fā)生軸向分流，從而更好地充填模具型腔，避免金屬在小端處堆積形成死區(qū)。同時，該方案還可減小成形終了時金屬與凹模的接觸面積，有效降低成形力，提高材料的利用率。

此外，在該方案中，凸模采用了底部為凹形球面的帶通孔的結構，如圖5所示。球形凹模與齒輪背錐面的弧形相配，凸模通孔與齒輪中心孔的大小一致，從而減少了坯料各部分金屬的流動速度差，同時節(jié)省了坯料金屬材料。

綜上所述，本研究證實了茶堿緩釋片和多索茶堿均能改善輕度支氣管哮喘患者肺功能，兩者療效近似，但多索茶堿安全性好于茶堿。

圖5 軸向分流擠壓工藝方案

圖6為采用軸向分流方案得到的金屬流動速度分布。在成形開始時，坯料中部金屬并未與凸模直接接觸，有效減緩了中部金屬向下流動的趨勢，優(yōu)先使外圍金屬向齒形部分填充。另外，在擠壓快結束時，凸模中部通孔也起到了促進金屬分流的作用，進一步降低了成形力。

為了提高差速器齒輪成形質量，減小成形力大小[8-11]，本文還對凸模球面直徑、入模半角以及分流口臺階厚度的工藝參數(shù)進行了研究。

圖6 軸向分流擠壓的金屬流動速度分布

3.1 凸模球面直徑D對齒輪成形的影響

凸模球面直徑D直接影響著受擠壓坯料金屬的流動速度，進而影響齒形部分的成形質量。金屬流動的理想狀態(tài)是凸模擠壓到既定高度時，齒形剛好填充飽滿，分流口只有少量金屬。本文在其他參數(shù)不變的基礎上，選取不同的D值，通過數(shù)值模擬仿真，得到不同凸模球面直徑D對齒輪成形的影響規(guī)律。

從仿真分析結果可知：當D過大時，在成形過程中，坯料外部金屬最先與齒頂腔中部接觸，而大端齒頂處存在金屬流動死角，填充困難，出現(xiàn)如圖7所示的齒形缺陷。

圖7 齒形缺陷

當D過小時，金屬流動較好，但背錐上留有更多的加工余量。當凸模球面直徑D為50 mm時，成形齒輪所需金屬材料少，成形結果較為理想，不同D值模擬的結果如圖8所示。

3.2 入模半角對金屬成形的影響

入模半角α是模具的重要參數(shù)，對成形力與金屬流動規(guī)律均有較大的影響。選取D為50 mm，在保證小端齒形填充飽滿的條件下，選取入模半角為40°～90°時，對其進行數(shù)值模擬，得到如圖9所示的入模半角對成形力的影響。由圖可知，冷擠壓力隨入模半角的增大而增大。因此，模具選用的入模半角越小，所需成形力越小，越有利于提高模具的使用壽命，但錐齒輪大端齒頂處成形缺陷隨入模半角的減小而增多(如圖7所示)。結合生產實際，入模半角選取60°左右為宜。

圖8 不同D值模擬的結果

圖9 入模半角對成形力的影響

3.3 分流口臺階厚度對金屬成形的影響

分流口處金屬的流動快慢是決定成形力與齒輪能否填充飽滿的重要因素。分流口臺階厚度如圖10所示。

圖10 分流口臺階厚度

當凹模分流口臺階厚度增大時，齒形處金屬軸向流動不暢，成形力增大，小端齒頂成形有明顯缺陷，各部分金屬流動速度差較大，需要采用更大體積的坯料才能使凹模型腔齒形部分充填飽滿，如圖11所示。當凸模球面直徑D為50 mm，入模半角為60°時，研究分流口臺階厚度對成形力的影響規(guī)律，如圖12所示，可以看出：分流口臺階厚度越小，齒腔小端分流口越大，金屬越容易沿此處流動，有利于降低成形力。因此，在保證齒形能填充飽滿的前提下，只保留分流口過渡圓角有利于減少成形力，提高成形質量。

圖11 分流口厚度為0.6 mm時金屬流動速度分布

圖12 分流口臺階厚度對成形力的影響

4 工藝試驗

工藝試驗在8 000 kN油壓機上進行，試驗設備如圖13(a)所示。模具凹模型腔如圖13(b)所示。試驗前對圓柱坯料進行軟化退火及磷皂化處理，圖13(c)所示為通過該方案擠壓成形后再進行少許機加工的汽車差速器半軸齒輪，產品齒形飽滿，齒面光滑平整，棱角分明，擠壓成形力為552 t，相對正擠壓方案成形力時的680 t降低了18%，并節(jié)省了大量金屬材料，降低了生產成本。試驗結果表明了軸向分流擠壓工藝方案的可行性。

圖13 工藝試驗

5 結論

1) 采用齒形腔小端軸向分流成形的工藝方案，有效解決了差速器齒輪正擠壓成形齒頂缺陷的問題。在此工藝方案的基礎上，采用凹形球面凸模不僅能減小錐齒輪成形時所需坯料的體積，還能降低成形力，提高成形質量。

2) 凸模球面直徑D過大會產生齒形局部充填不滿的現(xiàn)象，而D過小時又會造成材料的浪費。對于汽車差速器半軸齒輪來說，凸模球面直徑D選擇在Φ50 mm左右較合適。

3) 入模半角越小，成形力越小，當入模半角過小時，會出現(xiàn)齒形缺陷。結合生產實際，入模半角選取60°附近為宜。

4) 凹模分流口臺階厚度越大，越影響金屬流動，成形質量差。為了更好地充填齒形型腔，只需保留分流口過渡圓角。

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