雙聯齒輪精密塑性成形研究與模具設計*

駱 靜 陳勇全 姜耀辭 張 婧 楊 松 何擁忠

(成都理工大學工程技術學院工程訓練中心，四川 樂山 614000)

冷擠壓是一種凈成形或近凈成形的精密成形技術，相對于機加工，不僅節約了大量原材料，提高了生產效率，更有利于獲得高強度、高抗疲勞性和高表面質量的零件[1-4]。本文將該技術引入到雙聯齒輪加工過程中，已解決其結構特殊、硬度要求強等加工難題。雙聯齒輪是很常見的一類零件，一般尺寸不大。通常在一個零件上有兩個直齒，有時甚至一個是直齒，另一個是斜齒，使得加工難度很大。因此，常見的制造方法為先通過插齒滾齒等機械加工分別加工不同齒形部分，再通過“壓合”或者“焊接”的方式組合在一起。在德國和日本等精密零件制造強國，已于21世紀初期實現了小型斜齒輪的精密塑性成形批量化生產。在國內，利用精密塑性成形對小型斜齒輪和雙聯齒輪進行批量化生產，遠未達到較廣的覆蓋面。

本文針對雙聯齒輪特殊的“直-斜雙聯”結構特點提出了一種成形方案, 并在此基礎上建立了有限元模型。通過模擬分析，找到了坯料在成形過程中的材料流動規律，進一步優化并最終確定了工藝方案，且進行了試驗驗證，為最終生產該類型零件提供了一定的技術支持和參考。

1 零件特點分析

從該零件外形(如圖1所示)分析，零件尺寸較小，由大小兩個齒輪組成，大端為斜齒輪，小端為直齒輪。該零件的材料為20CrMnTi，鑒于雙聯齒的特殊結構與尺寸以及零件材料和較強的強度要求，初步分析認為應優先考慮冷擠壓的成形方式。由于直齒與斜齒無法實現在一個擠壓行程中既實現同時成形，還能保證正常出模，因此，直齒和斜齒部分必須分步成形。綜上所述，該零件難點在于:(1)擠壓件外表面與模具之間接觸面積較大，外材料流動困難且齒頂和齒尖容易出現充填困難的情況。(2)直齒與斜齒的成形容易發生干涉。(3)斜齒部分脫模困難。

冷擠壓的成形方式可以讓工件的精度、強度和其他力學性能得到很好的保證，因此綜合多方的因素提出圖2所示的成形方案。該方案是將棒料制作成環形坯料，然后進行鐓擠，成形直齒部分，同時壓出上部型腔，該型腔還可以確保周向材料的快速飽滿的充填，然后進行斜齒正向擠壓。最后通過機加工加工出上部圓柱形型腔。

2 有限元模型的建立與擠壓模擬

2.1 有限元模型的構建

上述擠壓方案是否可行，需要進一步進行驗證，因此首先利用NX軟件構建出坯料和凸凹模的模型，再將模型以STL格式導出到Deform軟件，運用剛塑性有限元法對成形過程進行模擬。

將坯料的網格總數設置為250 000；材料選用AISI-5120(20 ℃～1 200 ℃)；模具設為剛性體，坯料和模具的初始溫度均為室溫20 ℃，每一步壓下量為0.1 mm。其他參數見表1。

表1 模擬參數

2.2 模擬結果分析

在模擬過程中發現，該方案在整個材料充填過程中，材料的流動合理，齒形飽滿，且無任何折疊現象發生，模擬效果如圖3所示。該方案優點在于工序簡單，成形效果好，材料利用率高且成形載荷比較低。

從圖4a和4b可以看出，直齒成形較為順利和容易，材料流動非常合理，因此從直齒剛成形時等效應力和等效應變的數值和分布情況就驗證了這一點；從圖4c和4d可以看出，在斜齒成形的后1/3時，等效應力較為集中，此時對模具的沖擊力較大，在組合凹模的強度設計中應著重考慮該因素，而從等效應變分布圖中反映出來的情況則較為良好，材料流動也是合理的。

3 工藝試驗

基于前文提出的擠壓方案和有限元模擬分析，設計并加工了一套簡化的試驗裝置圖5a，用以驗證工藝和模具結構設計的合理性，尤其可以驗證材料的流動規律。在試驗中，擠壓件材料選用鉛，凸凹模材料選用45鋼。壓力設備為可提供300 kN力的WEW-300D型萬能試驗機。

從圖5b和圖5c所示的擠壓件可以看出，直齒成形效果較好，齒形飽滿，充填迅速，材料流動合理；斜齒成形效果比直齒略差，仍有進一步的改進空間，但也基本實現了工藝方案的最初設想。

4 模具設計

4.1 直齒成形模具設計

經過擠壓力的計算和有限元模擬的驗證，直齒成形的載荷約為140 kN。由于該載荷不大，所以考慮使用冷擠壓常見通用模架(圖6所示)進行設計。 該模架具有結構簡單，通用性強等特點。

4.2 斜齒成形模具設計

經過有限元模擬的驗證和優化設計，得知斜齒成形載荷約為15 kN，由于成形力較小，既可以利用上述模架結構進行設計，也可以采用更為簡單模具結構。在最核心的凸凹模結構設計上，考慮到斜齒無法脫模的難題，設計了結構[5]如圖7所示，該結構可以有效地解決齒輪無法脫模的情況，并且后一個只成形了直齒部分的毛坯可以將前一個已成形斜齒的擠壓件快速往下頂出而落下，省去了操作工人用手取回工件的這個動作，加工效率大幅提高。

5 結語

根據雙聯齒的特殊結構與尺寸及材料等信息，分析認為應采用冷擠壓的方式對直齒和斜齒部分分步成形，并提出了完整的工藝方案。通過對工藝方案的有限元模擬和分析，確定該方案符合材料流動規律，材料流動合理，且未發生嚴重缺陷，具有試驗驗證的可行性。經過試驗驗證了直齒和斜齒材料流動規律的合理性，基本達到了方案設計目標，為后續研究打下了堅實基礎。在上述研究的基礎上，設計了直齒的冷擠壓模具結構，并提出了一種簡單高效的模具結構，巧妙地解決了斜齒的脫模難題，避免了采用傳統軸承式凹模進行斜齒脫模帶來的多種問題。