工藝參數對鋁合金微齒輪熱擠壓成形的影響

陳澤中 程志龍 李雪源 趙娜

摘要：

針對7075鋁合金微齒輪擠壓過程中出現的微尺度效應問題，將退火后的7075鋁合金進行等溫微壓縮試驗，獲得材料的真實應力應變曲線，導入DEFORM軟件，并模擬微擠壓成形過程。定義擠出端凸度來評定微擠壓件的成形性能，擠出端凸度越小，則成形性越好。設計正交試驗，研究入模角、坯料直徑、擠壓溫度、擠壓速度和摩擦因數等對微齒輪熱擠壓成形過程中最大成形載荷和成形性能的影響規律。分析結果表明：坯料直徑對最大成形載荷和擠出端凸度的影響均最大;擠壓速度對成形載荷的影響較大，擠壓溫度的影響次之;擠壓溫度對擠出端凸度的影響較大，擠壓速度的影響次之;入模角和摩擦因數對成形載荷和擠出端凸度影響均較小。通過優化工藝參數模擬擠壓得到質量良好的微齒輪。

關鍵詞：

微齒輪; 熱擠壓; 數值模擬; 成形載荷; 擠出端凸度

中圖分類號： TG 376.2 文獻標志碼： A

Effect of Process Parameters on Hot Extrusion Forming of Aluminum Alloy Micro-gear

CHEN Zezhong， CHENG Zhilong， LI Xueyuan， ZHAO Na

（School of Materials Science and Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract：

Aiming at microscale effect in micro-extrusion process for 7075 aluminum alloy gear，the true stress-strain curve of 7075 aluminum alloy were obtained by isothermal and micro compression experiment.Numerical simulation for forming process of micro-gear extrusion was studied by using DEFORM software with the true stress-strain data.The standard of convexity of extruding parts is initialized to evaluate the formability of micro-extrusion parts.The effect of die angle，blank diameter，extrusion temperature，extrusion velocity and friction coefficient on the maximum forming load and convexity of extruding was investigated by using orthogonal array method.The results showed that the blank diameter had the greatest influence on both the maximum forming load and convexity of extruding parts.And die angle and friction coefficient had little influence on the experiment indicators.The extrusion velocity had greater influence on forming load while that of the extrusion temperature is inferior.The extrusion temperature had greater influence on convexity of extruding while that of extrusion velocity is inferior.The micro-gear with good dimensional accuracy and surface quality was obtained by optimizing the process parameters.

Keywords：

micro-gear; hot extrusion; numerical simulation; forming load; convexity of extruding

隨著電子產品微型化趨勢的發展，微型零部件的市場需求量大大提高，特別是在醫療器械、能源設備、微機電系統（MEMS）及通訊等眾多領域[1]。同時，MEMS技術的快速發展也推動了微成形技術的飛躍發展[2]。齒輪機構用于傳遞空間任意兩軸之間的運動和動力，是現代機械中應用最為廣泛的一種傳動機構。但其生產方法主要采用傳統的切削加工工藝，因為在加工時齒形部分的纖維被切斷，使齒輪強度降低，微型小齒輪由于尺寸小，使用常規加工方法裝夾難，加工刀具難以保證精度，加工更難，因此，微成形技術得到了應用。微成形是指以塑性加工方式生產尺寸（至少在二維方向上）處于次毫米級的零件或結構的工藝技術[3]。微成形作為傳統塑性加工技術在微細領域的延伸，繼承了傳統塑性成形技術的許多優點，具有生產效率高、產品質量好和節能節材等特點[4]。

在微成形中由于尺度效應的存在給成形研究帶來很多困難。目前，國內外已有很多學者對微擠壓成形進行研究。Saotome等[5]自行研制出一套微反擠壓成形裝置，成功制備出分度圓直徑為1 mm和2 mm的微小齒輪。Mahabunphachai等[6]在研究微成形過程時發現，當坯料尺寸與平均晶粒尺寸的比值小于一定值時，金屬變形過程更多表現為單晶的性質。Engel等[7]提出了開式和閉式凹坑摩擦模型。郭斌等[8]認為微成形零件尺寸微小，液體潤滑劑很難在成形零件和模具間形成連續且均勻的潤滑薄膜，若潤滑劑過多，還會造成堆積，影響成形零件的精度。周健等[2]利用等溫精密成形工藝，成功制備出了分度圓直徑為1 mm的齒輪。香港科技大學的Chan等[9]對不同晶粒尺寸的純銅進行多種微擠壓試驗，發現晶粒尺寸對成形力及成形效果影響均較大。

本文采用熱擠壓工藝成形7075鋁合金微直齒圓柱齒輪，該成形過程受到諸多因素的影響，針對主要工藝參數凹模入模角、坯料直徑、擠壓溫度、擠壓速度和摩擦因數進行有限元分析，研究各參數變化對擠壓桿最大成形載荷和擠出端凸度的影響規律，為微齒輪熱擠壓成形提供理論依據[10-12]。

1 試驗方案

本文研究的微直齒圓柱齒輪參數為：模數m=0.1，齒數z=10，壓力角α=20°，齒頂高系數ha*=0.8，頂隙系數c*=0.3，分度圓直徑為1 mm，齒頂圓直徑為1.16 mm，齒根圓直徑為0.78 mm，齒根圓角半徑為0.38 mm。

由于微型熱擠壓成形對成形溫度、擠壓速度等參數敏感[13]，本文研究的微齒輪成形工藝為連續等溫熱擠壓成形。為了便于送料及利于坯料定位，選用圓柱形坯料。毛坯材料為7075鋁合金，擠壓前進行固溶處理，工藝為：400 ℃，保溫60 min，隨爐冷卻至200 ℃，再空冷至室溫。坯料選取不同直徑進行擠壓時，高度均取3 mm。

2 有限元分析

2.1 有限元模型的建立

為簡化模型，提高運算精度和計算效率，根據對稱性原理，取一個齒做模擬試驗，即模具和坯料幾何建模時選取原模型的1/10。凹模幾何模型、模具及坯料導入DEFORM軟件中的裝配體如圖1所示，其中凹模工作帶長度為2 mm。

圖1 凹模及裝配圖三維造型

Fig.1 Solid modeling of the bottom die and assembly drawing

模擬參數設置如下：擠壓過程中坯料的塑性變形量遠大于彈性變形量，因此坯料材料類型選擇塑性體，模具材料類型選擇剛性體;將通過等溫微壓縮試驗獲得的7075鋁合金真實應力應變數據導入DEFORM軟件作為材料塑性變形數據;摩擦模型選擇剪切摩擦模型;模擬假定熱擠壓過程在恒溫下進行;網格劃分根據坯料尺寸設置不同數量的網格，并在齒形成形區域進行網格局部細化，尺寸比設置為0.01，最終使得最小網格單元尺寸達到工件最小特征尺寸的1/3左右。

2.2 正交試驗設計

直齒圓柱齒輪擠壓成形時成形載荷大，模具磨損嚴重，齒形角隅部分易出現填充不足。7075鋁合金微齒輪熱擠壓成形載荷及成形性能受到諸多因素影響，該研究將擠壓桿最大成形載荷和擠出端凸度θ作為試驗指標，選取主要影響因素：入模角A、坯料直徑B、擠壓溫度C、擠壓速度D和摩擦因數E設計L16（45）正交試驗[14-15]，根據前期模擬試驗數據分析，因素水平選取情況如表1所示。

表1 控制因素和水平

Tab.1 Factors and levels

3 有限元模擬結果分析

3.1 有限元分析試驗數據

擠壓件的成形質量一般通過其尺寸精度和表面粗糙度來評定，而尺寸精度和表面粗糙度都與工件與模具間的摩擦有關，摩擦效應還映射到擠出工件的末端形狀，因此可定義擠出端凸度θ作為擠壓件成形質量的評定指標。擠出端凸度定義為：

θ=hmax-hminhmin

（1）

式中：hmax為擠出最大長度;hmin為擠出最小長度。

正交試驗安排及有限元模擬結果如表2所示。

表2 試驗設計與結果

Tab.2 L16（45） orthogonal array and the results

3.2 試驗結果極差分析

以上試驗所得最大成形載荷極差分析結果如表3所示，各工藝參數在不同水平下對最大成形載荷的影響趨勢如圖2所示。綜合表3和圖2可得，首先，坯料直徑和擠壓溫度對最大成形載荷影響程度最大，且兩者影響程度相差不大，最大成形載荷隨坯料直徑的增大幾乎呈線性快速增大，隨擠壓溫度的升高幾乎呈線性快速減小;其次是擠壓速度，成形載荷隨擠壓速度的增大而增大，在擠壓速度達到0.025 mm·s-1時，成形載荷增幅變緩;再次是入模角，隨著入模角的增大，成形載荷出現波動現象;最后，摩擦因數對成形載荷的影響程度最小。

表3 最大成形載荷極差分析

Tab.3 Range analysis for the maximum forming load

圖2 最大成形載荷隨因素水平變化趨勢圖

Fig.2 Influence of process parameters on the maximum forming load

試驗所得擠出端凸度極差分析結果如表4所示，各工藝參數在不同水平下對擠出端凸度的影響趨勢如圖3所示。綜合表4和圖3可得，首先坯料直徑對擠出端凸度影響程度最大，擠出端凸度隨坯料直徑的增大幾乎呈線性快速上升;其次是擠壓速度和擠壓溫度，兩者對擠壓端凸度影響程度相差不大，且影響趨勢相同;再次是入模角和摩擦因數，兩者影響程度相同。

表4 擠出端凸度極差分析

Tab.4 Range analysis for convexity of extruding parts

圖3 擠出端凸度隨因素水平變化趨勢圖

Fig.3 Influence of process parameters on convexity of extruding parts

3.3 試驗結果方差分析

為了更直觀地體現各因素水平變化對試驗指標的影響，運用貢獻率的形式對試驗結果進行方差分析。根據方差分析的基本原理，可用各因素引起的方差和SSF與總方差和ST的比值來表征各因子對產品性能的影響程度Fi：Fi=SSFST（2）

因素i對試驗指標的貢獻率為Fi與Fi總和的比值。

各因素對最大成形載荷和擠出端凸度的方差分析如表5和表6所示。表5和表6得出的結論分別與表3和表4所得的結論一致。坯料直徑對最大成形載荷和擠出端凸度影響最大，摩擦因數對最大成形載荷的影響很小（貢獻率僅為0.735%），其影響可忽略。摩擦因數和入模角對擠出端凸度的影響也很小（貢獻率分別為2.965%和3.656%）。

表5 最大成形載荷方差分析

Tab.5 Variance analysis for the maximum forming load

表6 擠出端凸度方差分析

Tab.6 Variance analysis for convexity of extruding parts

綜合模擬結果的極差分析和方差分析可知，影響成形載荷和成形質量的三大主要因素是坯料直徑、擠壓溫度和擠壓速度。坯料直徑的變化對成形載荷及成形質量都產生很大影響，因為擠壓力隨擠壓變形程度的增大而顯著增大，擠出端凸起主要是由于摩擦的存在，坯料表面材料和內部材料流動不均所致，而在一定范圍內隨著坯料直徑的增大，表面晶粒的變形對整體變形的影響減弱，成形質量有所提高，坯料直徑可優選為2 mm。擠壓溫度和擠壓速度對成形載荷的影響也較大，主要是由于在變形過程中材料發生動態再結晶。成形質量隨著擠壓溫度的升高而提高，主要是由于材料塑性的提高而有利于擠壓充填。綜合考慮，擠壓溫度可優選為500 ℃，擠壓速度可優選為0.005 mm·s-1。另外，入模角對成形載荷及成形質量影響均較小，根據模擬結果可優選為110°。本次正交試驗中摩擦因數整體影響較小，有摩擦因數各水平選取差別較小的原因，根據有潤滑、無潤滑及不同潤滑條件下的單因素變化模擬結果可知，微成形中摩擦情況是必須加以重視的，要盡量采取適宜的潤滑條件以減小摩擦因數。

3.4 參數優化模擬試驗

根據模擬結果可以針對性地調整熱工藝參數，考慮到微成形過程中存在的系列微尺度效應，模擬結果與實際生產存在一定的差異，但各因素對試驗指標的影響關系也有一定的預見性。選取入模角為110°，坯料直徑為2 mm，擠壓溫度為500 ℃，擠壓速度為0.005 mm·s-1，摩擦因數為0.2時進行模擬試驗，模擬成形齒輪如圖4所示，成形齒輪擠出端凸度較小，齒形充填完整，表面質量良好。

4 結 論

對分度圓直徑為1 mm的鋁合金微齒輪進行熱擠壓成形模擬，研究了入模角、坯料直徑、擠壓溫度、擠壓速度和摩擦因數對最大成形載荷和擠出端凸度的影響，最后對工藝參數進行了正交優化。

圖4 模擬成形齒輪件

Fig.4 Simulation part

（1） 坯料直徑和擠壓溫度對最大成形載荷影響程度最大，且兩者影響程度相差不大，最大成形載荷隨坯料直徑的增大幾乎呈線性上升，隨擠壓溫度的升高幾乎呈線性降低。其次是擠壓速度，成形載荷隨擠壓速度的提高而快速上升，在擠壓速度達到0.025 mm·s-1時，成形載荷增幅變緩。再是入模角，摩擦因數影響程度最小。

（2） 坯料直徑對擠出端凸度影響程度最大，擠出端凸度隨坯料直徑的增大幾乎呈線性快速增大。其次是擠壓速度和擠壓溫度，兩者對擠壓端凸度影響程度相差不大。最后是入模角和摩擦因數，兩者影響程度相同。

（3） 通過優化工藝參數，選取入模角為110°，坯料直徑為2 mm，擠壓溫度為500 ℃，擠壓速度為0.005 mm·s-1，摩擦因數為0.2時進行模擬試驗，模擬成形齒輪擠出端凸度較小，齒形充填完整，表面質量良好。

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