小尺寸鏈輪成形工藝分析及模具設計

鄢 強， 鄧祥豐， 宋慧瑾， 姚 寅， 何 玲， 陳 勇

(成都大學 機械工程學院， 四川 成都 610106)

0 引 言

目前，鏈輪的加工方法通常為傳統(tǒng)的機械切削加工，其能夠加工的產(chǎn)品類型單一、加工工藝復雜，且生產(chǎn)效率較低、產(chǎn)品精度不高，不能滿足大批量、機構固定的鏈輪生產(chǎn)需求.研究表明，冷擠壓技術比切削加工生產(chǎn)效率高、材料消耗更少，但由于存在一定的技術難度，冷擠壓成形工藝目前還沒有大規(guī)模應用于實際生產(chǎn)中[1].基于此，本研究針對自行車小鏈輪的冷擠壓成形工藝及模具設計進行分析，在鏈輪冷擠壓成形工藝流程分析的基礎上，設計了小尺寸鏈輪加工相應的工藝參數(shù)與模具結構.

1 工藝分析

本研究的對象為齒數(shù)為18的單排級變速齒輪，其材質(zhì)為304不銹鋼(06Cr19Ni10)，該零件結構如圖1所示.在生產(chǎn)中，具體使用Φ60 mm的不銹鋼棒料剪切下料，采用冷擠壓成形工藝，毛坯的表面粗糙度Ra≤6.3 μm[2].本研究采用SolidWorks工具建立三維模型，通過零件屬性評估得出了零件的體積V=16 505.499 mm3.從圖1可以看出，該鏈輪不僅在軸側方向上呈“臺階”形式，在水平方向也有彎曲，該鏈輪在擠壓成形過程中，由于輪齒形狀相對復雜，金屬流動速度不均以及附加應力和阻力的存在，造成制件實際成形形狀與理論形狀存在一定差距，特別是頂端齒形在徑向上填充不滿(見圖2).其原因是，由于金屬變形程度大，在距離受壓面較遠的地方塑性流動受阻，齒形的成形情況較差，如果采用傳統(tǒng)的機械切削方法，則不利于成形.該零件成形關鍵在于工藝方案的選擇，工藝補充面的生成以及工藝參數(shù)的設置.應用CAE仿真可有效使沖壓成形由“經(jīng)驗”走向“科學”，由“定性”分析走向“定量”計算，從而優(yōu)化工藝參數(shù)，縮短模具試模周期[3-6].

圖1小鏈輪零件圖

圖2齒形前端未充滿段缺陷示意圖

2 工藝流程與CAE仿真

2.1 工藝流程

鏈輪的冷擠壓成形工藝流程如圖3所示，具體為：先將下好的304坯料鐓粗沖孔，通過退火軟化和表面處理使坯料的性能改變，再放入擠壓模具里，依次進行預成形擠壓及冷擠壓成形，最后再進行回火，得到所需制品.鏈輪的成形過程如圖4所示.

圖3鏈輪冷擠壓成形工藝流程圖

圖4鏈輪成形過程示意圖

2.2 CAE仿真

目前，評估冷擠壓成形工藝的好壞，一般采用經(jīng)驗法和類比法，其思路是：待模具設計完成后，用設定好的坯料在模具中擠壓出零件，再按照零件出現(xiàn)的各種質(zhì)量問題如表面波紋、表面劃傷、表面麻坑、擠壓件內(nèi)部裂紋、擠壓件壁厚差太大等，對模具和擠壓工藝參數(shù)進行反復修正，直到擠壓出合格零件[7-11].為了驗證所設計的鏈輪是否達到預期要求，本研究基于CAE仿真平臺，從鏈輪與滾子的嚙合，鏈輪內(nèi)圈棘輪與棘爪的接觸兩方面進行受力分析.其有限元分析步驟如圖5所示.

圖5 鏈輪各部位受力有限元模擬方法步驟

2.2.1 內(nèi) 齒.

建立小鏈輪的內(nèi)圈棘輪和棘爪的三維模型，與鏈輪外圈配合產(chǎn)生一個裝配體，如圖6所示.

圖6小鏈輪的三維裝配模型

首先，從小鏈輪的裝配體模型新建一個靜應力分析算例，確定分析模型的邊界條件.鏈輪外圈為304不銹鋼，其余為合金鋼.添加夾具約束，固定棘輪和棘爪，施加載荷，具體如圖7所示.根據(jù)自行車輪胎所受摩擦力近似計算小鏈輪受到的轉矩T≈μN，式中，μ=0.02，N=500 N，T=1 N·m.

圖7約束鏈輪與棘輪和棘爪

基于模型曲率劃分網(wǎng)格單元如圖8所示，網(wǎng)格精度判定方法：最大應力集中部分覆蓋2層或2層以上的單元，運行求解(如圖9所示)，并分析結果.

棘爪(千斤)的根部通過銷釘與棘輪連接，所受應力通過棘爪頂部與鏈輪內(nèi)齒接觸部分傳遞到根部銷釘與內(nèi)圈鉸接處，從而減小了應力在鏈輪體上的集中，其應力分布如圖10所示.由圖10可以看出，小鏈輪外圈上沒有產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，最大合應力處為0.094 MPa，最小合應力處為0.008 MPa，符合設計要求.

圖10應力連續(xù)分布示意圖

2.2.2 外 齒.

建立滾子的實體模型，與鏈輪外圈配合生成裝配體，具體如圖11所示.

圖11滾子鏈輪裝配體

定義其邊界條件，在simulation工作界面新建一個算例，添加夾具約束輪齒的位移如圖12所示.施加一個作用于齒廓曲面上的壓應力，基于曲率劃分網(wǎng)格單元運行求解并分析結果，在表格選項中更改應力單位(MPa)得到最大、最小應力，其應力分布如圖13所示.

圖12定義邊界條件

圖13應力連續(xù)分布結果圖

由圖13可知，齒形上的載荷分布主要集中在鏈輪軸向端面上，輪齒所受最大合應力為0.322 MPa，最小合應力為0.146 MPa，鏈輪整體的應變量不大.此表明，輪齒強度足以抵抗其受力時的塑性變形.

3 模具結構設計

本模具結構設計以零件下型面為基準(凹模基準)，凸模按照零件對半配做，其結構如圖14所示.其中，圖14(a)為模具A-A截面剖視圖，圖14(b)為模具B-B截面剖視圖，圖14(c)為模具俯視圖.

1：下模座；2：方鍵；3：凹模固定板；4：導柱；5：拉桿；6：凹模套；7：導套；8：螺母；9：螺栓；10：模柄；11：螺栓；12：上模座；13：上墊板；14：凸模套；15：凸模；16：凹模；17：中芯；18：下墊板；19：頂出桿；20：托板；21：推管

圖14鏈輪的模具裝配圖

在圖14的模具結構中，由于導柱與導套的配合間隙較小，相對滑動時容易將潤滑油擠出，通常在導柱上部設計一些凹槽.毛坯在凸、凹模擠壓下完成成形后，在拉桿及托板的作用下，凸模與凹模開始分離，頂出機構推動推管，推管將制件從凹模型腔內(nèi)推出，完成卸料動作.頂出機構與托板的配合為過盈配合.冷擠壓模具的主要固定機構是凹模套、凸模套以及螺栓.為了保證凹模板與凹模套的緊密貼合，凹模套與凹模固定板之間的接觸面應留出一定的間隙.

4 結 論

本研究基于有限元方法及冷擠壓成形工藝設計的小鏈輪，其外圈與滾子在嚙合上沒有應力集中現(xiàn)象，最大處合應力為0.094 MPa，最小處合應力為0.008 MPa，而內(nèi)圈棘輪與棘爪載荷在齒形上的分布主要集中在鏈輪軸向端面上，輪齒所受最大合應力為0.322 MPa，最小合應力為0.146 MPa，均在規(guī)定范圍內(nèi).數(shù)據(jù)表明，鏈輪強度足以抵抗其受力時的塑性變形，符合設計要求.本研究表明，基于有限元軟件分析計算鏈輪冷擠壓成形工藝過程，可以預先判斷出零件是否達到設定要求，從而縮短生產(chǎn)時間、節(jié)約生產(chǎn)成本.