齿轮空心坯正挤压工艺参数对同心度的影响规律研究

冯文杰，况智允，陈莹莹，王　萍，刘左发

(重庆理工大学　a.汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室;b.机械工程学院; c.车辆工程学院， 重庆　400054)

冷挤压成形齿轮是一种先进的齿轮加工方法，具有高效、节省材料、成本低等特点，正逐渐应用于实际生产中[1-2]。采用冷挤压成形齿轮时，挤前空心坯的成形质量，特别是空心坯内孔和外圆的同心度，对最终齿轮的成形精度有较大的影响。空心坯在采取冷挤压成形时，无论是正挤压或反挤压，凸模的弯曲变形是影响挤压件同心度的主要因素。减小凸模的弯曲变形对保证空心坯的同心度非常重要[3-7]。

本文选取某重型汽车用轮边减速器行星齿轮空心坯为研究对象，材料为20CrMnTi，采用实心坯料正挤压工艺成形内孔。在成形过程中，由于金属流动的不均匀性，使下凸模受到侧向力而发生弯曲变形，从而降低挤压件内孔与外圆的同心度。因此，本文将对影响下凸模弯曲变形的主要因素进行分析，为减轻下凸模弯曲变形、提高产品成形质量奠定基础。

1　有限元模型建立

剪切摩擦模型：认为接触面间的摩擦力不随正压力大小而变，适用于高接触压力的塑性成形问题。即公式为τ=m·k，式中：τ为摩擦应力；m为摩擦因子；k为剪切屈服极限。故摩擦应力与相应条件下变形金属的性能和摩擦因子有关。

图1　齿轮空心坯挤压件

2　数值模拟结果及分析

选取下凸模顶端的中心点p1为追踪点，随着上凸模向下运行到坯料的压余厚度为8 mm时停止，得到随上凸模行程的径向偏移曲线。由于下凸模属于悬臂梁结构，在挤压过程中其顶端偏斜最大，因此下凸模顶端的中心点p1的最大偏移量即代表了其在挤压过程中的最大弯曲变形[9]。由于在挤压过程中下凸模与凹模之间的径向偏移误差、工作带长度及锥顶角大小会对下凸模弯曲变形产生主要影响，因此本文将从这3个方面进行分析。

2.1　下凸模与凹模之间的径向偏移误差对下凸模弯曲变形的影响

由于制造误差和装配误差的存在，下凸模与凹模的中心线不可避免会发生径向偏移,如图2(b)所示。这种偏移会使金属在流动过程中产生侧向力，使下凸模发生弯曲变形，从而造成零件内孔与外圆的不同心。因此，下凸模与凹模之间的径向偏移误差是影响零件同心度的重要因素[10]。为了保证零件的同心度，将研究下凸模与凹模之间的径向偏移误差对下凸模弯曲变形的影响规律。在数值模拟过程中，将下凸模向+x方向偏移0.01、0.03、0.05、0.07、0.09 mm，工作带选择4 mm，锥顶角选择11°，得到如图3所示的追踪点图(负号代表向左边偏移)和图4所示的变化趋势。由图4可知：下凸模产生的最大偏移量随着径向偏移误差增大而增加。当径向偏移误差从0.01 mm增至0.05 mm时，下凸模的最大偏移量增加较慢。当径向偏移误差从0.05 mm增至0.09 mm时，下凸模的最大偏移量增加较快。因为随着径向偏移误差的增加，在成形过程中金属流动的不均匀性更为强烈，在挤压过程中下凸模受到的侧向力也会逐渐加大，发生更明显的弯曲变形。为了减小下凸模在成形过程中受到的侧向力影响，在实际生产中需要严格控制下凸模与凹模之间的径向偏移误差。

图3　偏移误差为0.05 mm的追踪点

2.2　工作带长度对下凸模弯曲变形的影响

工作带在齿轮空心坯冷挤压过程中对向下流动的金属起到约束塑性变形的作用。本文以工作带长度为变量，研究其对下凸模弯曲变形的影响。在数值模拟过程中，基于下凸模与凹模之间径向偏移误差u=+0.0 3 mm，锥顶角选择11°，工作带长度取2、 4、6、8、10 mm进行分析，得到如图5所示的追踪点和图6所示的变化趋势。由图6可知：下凸模产生的最大偏移量随着工作带长度的增加逐渐减少；当工作带长度超过6 mm时，曲线逐渐平稳趋于一条水平线。继续增加工作带长度对降低弯曲变形的效果不明显，反而使其有效工作部分与坯料的接触面积增加，产生更大的阻力，导致成形载荷增加。结合生产实际及成形载荷大小的影响，综合考虑，工作带长度选择6 mm时对减轻下凸模弯曲变形较为合适。

图5　工作带长度为6 mm的追踪点图

2.3　锥顶角对下凸模弯曲变形的影响

锥顶角是凸模设计中的重要参数之一，从利于金属流动和提高模具寿命出发，其最佳锥顶角选在7°～27°。本文为了研究锥顶角对下凸模弯曲变形的影响规律，同样基于下凸模与凹模之间径向偏移误差u=+0.03 mm，工作带长度选择6 mm，锥顶角选取9°、11°、13°、15°、17°进行模拟分析，得到如图7所示的追踪点和图8所示的变化趋势。由图8可知：当锥顶角从9°增至17°时，追踪点p1所代表的偏移量逐渐减少。由此可见，锥顶角越大越有利于减轻下凸模的弯曲变形。其原因是锥顶角越大，锥面越长，金属向下流动时与下凸模头部表面的接触面积增多，在成形过程中增加了其纵向稳定性；但当锥顶角从13°增至17°时，偏移量的下降趋势将逐渐变缓，同时锥顶角过大会造成材料的浪费，因为角度逐渐增大时，向下凸模锥面流入的金属增多，机加工切除的上端材料也相应增加，这样不利于节省材料。综合考虑，锥顶角选择15°～16°较为合适。

图7　锥顶角为13°的追踪点

3　工艺试验

综合以上各工艺参数对下凸模弯曲变形的影响规律，进行两组工艺试验：在第1组试验中，工作带选择4 mm，锥顶角选择11°，下凸模与凹模直接装配；在第2组试验中，工作带选择6 mm，锥顶角选择16°，下凸模与凹模装配时采用定位套定位，如图9所示，定位套与下凸模间隙控制在0.01 mm，与凹模间隙控制在0.01 mm,从而保证下凸模与凹模之间的同轴度。挤压前对坯料进行软化退火及磷化皂化处理，在8 000 kN的油压机上进行，如图10(a)所示。挤压后分别随机抽取5件进行同心度测试，如图10(b)所示，得到如表1所示的测试结果。结果表明：第2组零件的同心度明显优于第1组零件的同心度。因此，优化后的工艺参数有助于改善零件同心度，同时也为后续研究奠定基础。

图9　定位套定位的示意图

件号第1组第2组1⌀0.32⌀0.052⌀0.55⌀0.133⌀0.25⌀0.234⌀0.45⌀0.205⌀0.60⌀0.18

图10　工艺试验实物图

4　结论

1) 下凸模与凹模之间的径向偏移误差越大，挤压过程中下凸模产生的弯曲变形量越大。因此为了保证零件的同心度，下凸模与凹模之间的径向偏移误差控制得越小越好。

2) 适当增加工作带长度有利于减小下凸模的弯曲变形，但过长的工作带会增加成形载荷力，所以工作带长度取6 mm比较适宜。

3) 在避免过多底部材料浪费的情况下，适当增大锥顶角可以在成形过程中增加下凸模的纵向稳定性。综合考虑，最优锥顶角选取15°～16°时为最佳。

参考文献：

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[3]蒋定举,唐超,郑伟刚.双杯形件冷挤压成形数值模拟及工艺分析[J].热加工工艺,2013,42(19):110-112.

[4]王晓飞,辛选荣.挤压车轴套管壁厚差分析及模具改进[J].模具工业,2013,39(10):63-65.

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[7]王晓飞.炮弹战斗部壳体壁厚差成形因素分析及其模具改进[D].郑州：河南科技大学,2013.

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[10] 冯文杰,钟江涛,陈莹莹,等.花键过渡套浮动式芯棒冷挤压成形方法研究[J].机械设计与制造,2017(2):73-75，79.