小齒輪件齒輪冷擠壓成形工藝及缺陷

王培安

（商丘工學院 機械工程學院，河南 商丘 476000）

0 引 言

齒輪是機械制造業重要的零部件之一，隨著汽車行業的快速發展，其需求量也在不斷增加，對其承載能力、使用壽命、可靠性和成形質量等要求也越來越高。小齒輪件結構復雜，對尺寸精度、表面質量及力學性能都有比較高的要求，如果采用傳統的加工工藝方法進行切削加工，不僅材料利用率和生產效率低，且生產成本也會增加，金屬材料纖維的連續性被破壞，大大削弱小齒輪件的強度和使用壽命，不能滿足現代制造業的需求。

呂琳等對小齒輪件齒輪在理論上進行了簡單的工藝分析及模具設計，證明了冷擠壓技術可以加工小齒輪件[1]；瑞士哈特貝爾（HATEBUR）公司利用冷擠壓技術進行大批量生產加工，同時在實踐中證明了小齒輪件采用冷擠壓成形工藝方案的可行性。冷擠壓技術是一種優質、高效、低成本的成形工藝[2]，是精密塑性成形技術的一個重要組成部分。本文對小齒輪件齒輪冷擠壓成形工藝進行分析，并對成形工藝方案進行數值模擬，以解決齒輪成形過程中出現的問題。

1 成形工藝分析

1.1 零件的結構分析

小齒輪件的二維零件，如圖1所示。圖1已給出小齒輪件的基本參數，該鍛件的整體結構呈現階梯軸狀，且在軸上一端是花鍵，另一端是齒輪。其中漸開線直齒圓柱齒輪為非標準齒輪，其具體參數為：齒數Z=8，模數m=1.5，壓力角α=20°，未標注圓角均為0.3mm，齒面表面粗糙度要求為Ra=0.8μm，其余位置表面粗糙度要求Ra=3.2μm。根據計算初步確定毛坯的尺寸為φ12mm×27mm。

1.2 成形工藝方案的制定

在制定成形工藝方案時，需考慮零件的結構特點、變形程度及擠壓設備等因素。由于小齒輪件結構復雜，精度和質量要求高，需采取多道工序擠壓成形。考慮上述因素及設計理念的不同，針對小齒輪件結構形式制定以下兩種成形工藝方案：

方案1：剪切下料→軟化熱處理→表面和潤滑處理→正擠小端→閉式正擠花鍵→頭部鐓粗→反擠齒輪→擠臺階→機加工齒輪孔和精整齒形。方案1的齒輪成形工藝過程如圖2所示。

方案2：剪切下料→軟化熱處理→表面和潤滑處理→正擠小端→閉式正擠花鍵→端部鐓粗→反擠齒輪和齒輪孔→擠臺階→精整齒形。方案2的齒輪成形工藝過程如圖3所示。

圖2 方案1的齒輪成形工藝過程

圖3 方案2的齒輪成形工藝過程

1.3 成形過程中擠壓力的計算

成形過程中擠壓力的計算公式參考文獻[3-8] 。在反擠齒輪過程中單位擠壓力計算公式為：

其中，P為單位擠壓力（MPa）；Z為模具形狀影響系數（取Z=1.0）；n為擠壓方式及變形程度系數（取n=4）；σb為擠壓前材料的強度極限（σb=600MPa）。

經計算所得，單位擠壓力小于模具鋼所能承受的單位擠壓力（2 500MPa），故模具鋼出現損壞的可能性較低。

在反擠齒輪過程中總擠壓力計算公式為：

其中，F為總擠壓力（KN）；P為單位擠壓力（MPa）；A為凸模與坯料接觸面在垂直擠壓力平面上的投影面積（mm2）；c為安全系數（一般取c≥1.3）。

在反擠齒輪工序中壓力機的大小均需根據實際情況及遵循標準規定選取，通過計算結果分析，建議所選壓力機噸位需大于37t。

1.4 成形過程CAE模型的建立

按照齒輪成形工藝方案進行數值模擬。由于齒輪部分是軸對稱結構，為提高模擬效率，模擬反擠壓齒輪時齒輪齒數為8；同時為保證齒形的完整性，采取鐓粗工序成品的1/2進行數值模擬。利用Solidworks軟件完成齒輪冷擠壓過程中所需的坯料、凸模及凹模的三維模型，并進行凹凸模裝配；把裝配好的文件以.stl格式導入至DEFORM-3D軟件中，建立兩種成形工藝方案中對應的FEM模型（見圖4），然后開始模擬計算。

2 成形過程數值模擬

在進行數值模擬之前，需確定齒輪數值模擬參數值（見表1）。齒輪成形所用的毛坯實際上是通過正擠小端、閉式正擠花鍵和頭部鐓粗后獲得擠壓件，這里簡稱毛坯。

表1 齒輪數值模擬參數值

2.1 不同方案對齒輪各個階段成形的影響

針對齒輪加工方式提出前述的兩種成形工藝方案，重點探討在不同下壓量情況下齒輪成形過程。

通過DEFORM軟件模擬方案1反擠齒輪成形過程，在后處理中查看不同下壓量齒輪成形過程，如圖5所示。此時的毛坯未受到力的作用，未發生任何變化（見圖5a）；從開始下壓2.5mm過程中，齒輪下端的桿部開始出現金屬堆積現象，這會加劇金屬材料在入口角位置出現大量金屬堆積（見圖5b）；從2.5mm下壓5mm過程中，齒輪下端的桿部受到入口角的作用力，開始發生鐓粗現象（見圖5c）；齒輪下端的桿部受到入口角的作用力，直徑不斷增加，由于受到引導區在徑向方向的阻力，才使金屬材料不再向徑向背心方向流動，而開始快速向上流動（見圖5d）；齒輪前端初步成形后，就會發生剛性平移，直至齒輪完成成形（見圖5e）。

圖5 方案1不同下壓量齒輪成形過程

通過DEFORM軟件模擬方案2反擠齒輪和齒輪孔成形過程，在后處理中查看不同下壓量齒輪成形過程，如圖6所示。此時的毛坯未受到力的作用，未發生任何變化（見圖6a）；從開始下壓2.5mm過程中，齒輪下端的桿部開始出現金屬堆積現象（見圖6b）；從2.5mm下壓5mm過程中，齒輪下端的桿部受到入口角的作用力，開始發生鐓粗現象（見圖6c）；上端芯軸開始接觸齒輪端面，金屬向上流動，受到芯軸的阻力，齒輪下端的桿部受到的作用力變大，造成金屬在引導區范圍內發生徑向背心流動，直徑不斷增加，由于受到引導區在徑向方向的阻力，才使金屬材料不再向徑向背心方向流動，而開始向上流動（見圖6d）；齒輪前端初步成形后，就會發生剛性平移，直至齒輪完成成形（見圖6e）。

圖6 方案2不同下壓量齒輪成形過程

2.2 不同方案對齒輪齒形塌角的影響

造成齒輪齒形塌角缺陷的因素很多，齒輪成形工藝方案不合理也會造成其塌角缺陷。齒輪齒形塌角缺陷如圖7所示。

圖7 齒輪齒形塌角缺陷

對兩種成形工藝方案進行數值模擬，獲得齒輪齒形塌角缺陷，如圖8所示。由圖8a可看出，存在較大距離的塌角長度；由圖8b可看出，并未出現塌角現象。究其原因，方案1齒輪反擠壓成形過程中，根據最小阻力定律，金屬在流動過程中，金屬會快速向上流動，而外層金屬會受到定徑帶及凹槽位置的摩擦，摩擦力會造成材料流動不均勻，故在齒輪齒形位置出現塌角缺陷。方案2齒輪反擠壓成形過程中，在擠壓齒輪孔時，由于受到芯軸的作用，阻止孔位置的金屬材料直接向上流動，從而發生徑向流動，且推動成形齒輪位置材料向齒槽方向流動，保證齒輪齒形的填充效果和塌角長度的減小。

2.3 不同方案對齒輪填充效果的影響

通過數值模擬獲得齒輪齒形與模具凹槽的最小間距等值線，如圖9所示。由圖9a可看出，方案1反擠齒輪齒形與模具凹槽的最小間距在0.102～0.205mm范圍內，說明齒輪齒形填充效果不好；由圖9b可看出，齒輪齒形與模具凹槽的最小間距在0mm，說明齒輪齒形填充效果好，填充飽滿。通過分析可知，加工齒輪孔在一定程度上增大了金屬材料徑向方向流動，使齒輪齒形填充效果好。

2.4 不同方案對齒輪成形載荷的影響

對兩種成形工藝方案進行數值模擬，兩種成形工藝方案成形載荷曲線的變化規律幾乎一致，如圖10所示。由圖10可知，上凹模與坯料接觸，材料開始發生塑性變形，在這一階段擠壓力必須克服材料內部的變形阻力及模具與坯料之間的摩擦力，繼續下壓材料在入口角位置出現金屬堆積，造成金屬大量向徑向方向流動，當受到引導區長度的限制后，金屬開始繼續向上流動。就方案1而言，已成形的齒輪部分僅僅做剛性平移，不再發生變形，故成形力不再增加；但方案2還要加工齒輪孔，金屬材料向上流動時，會接觸到芯軸，此時材料再次發生塑性變形，造成擠壓力繼續升高，當齒輪和齒輪孔均已平穩時，成形載荷不發生變化。

方案1是下壓量在6.4mm處齒輪出現的剛性平移，最大成形載荷為1.27×105N；方案2是下壓量在8mm處齒輪出現的剛性平移，最大成形載荷為1.75×105N。由于模擬仿真時只取整體結構的1/2，故方案1的最大成形載荷為2.54×105N，方案2的最大成形載荷為3.5×105N。方案1與方案2的最大載荷值都小于壓力機噸位，不會造成壓力機設備損壞。

圖8 數值模擬的齒輪齒形塌角缺陷

圖9 齒輪成形與模具凹槽的最小間距等值線

圖10 齒輪成形載荷曲線

3 結 論

（1）方案1反擠壓齒輪的填充效果比方案2差，且需要機加工齒輪孔，會大大削弱齒輪的強度，甚至會損壞齒輪，很可能導致小齒輪件報廢。

（2）方案1加工的齒輪在端部存在較大的塌角長度；方案2加工的齒輪所有齒形都不存在塌角缺陷，基本符合理想情況。

（3）方案1反擠壓齒輪時最大成形載荷比方案2反擠壓齒輪和齒輪孔時最大成形載荷小，但方案2的最大成形載荷也遠遠小于所選設備噸位，不會導致設備損壞，且沒有影響齒輪的成形質量。

綜合考慮小齒輪件的成形質量和加工成本等，方案2遠遠好于方案1，故建議選擇方案2進行實際生產加工。