小尺寸链轮成形工艺分析及模具设计

鄢 强， 邓祥丰， 宋慧瑾， 姚 寅， 何 玲， 陈 勇

(成都大学 机械工程学院， 四川 成都 610106)

0 引 言

目前，链轮的加工方法通常为传统的机械切削加工，其能够加工的产品类型单一、加工工艺复杂，且生产效率较低、产品精度不高，不能满足大批量、机构固定的链轮生产需求.研究表明，冷挤压技术比切削加工生产效率高、材料消耗更少，但由于存在一定的技术难度，冷挤压成形工艺目前还没有大规模应用于实际生产中[1].基于此，本研究针对自行车小链轮的冷挤压成形工艺及模具设计进行分析，在链轮冷挤压成形工艺流程分析的基础上，设计了小尺寸链轮加工相应的工艺参数与模具结构.

1 工艺分析

本研究的对象为齿数为18的单排级变速齿轮，其材质为304不锈钢(06Cr19Ni10)，该零件结构如图1所示.在生产中，具体使用Φ60 mm的不锈钢棒料剪切下料，采用冷挤压成形工艺，毛坯的表面粗糙度Ra≤6.3 μm[2].本研究采用SolidWorks工具建立三维模型，通过零件属性评估得出了零件的体积V=16 505.499 mm3.从图1可以看出，该链轮不仅在轴侧方向上呈“台阶”形式，在水平方向也有弯曲，该链轮在挤压成形过程中，由于轮齿形状相对复杂，金属流动速度不均以及附加应力和阻力的存在，造成制件实际成形形状与理论形状存在一定差距，特别是顶端齿形在径向上填充不满(见图2).其原因是，由于金属变形程度大，在距离受压面较远的地方塑性流动受阻，齿形的成形情况较差，如果采用传统的机械切削方法，则不利于成形.该零件成形关键在于工艺方案的选择，工艺补充面的生成以及工艺参数的设置.应用CAE仿真可有效使冲压成形由“经验”走向“科学”，由“定性”分析走向“定量”计算，从而优化工艺参数，缩短模具试模周期[3-6].

图1小链轮零件图

图2齿形前端未充满段缺陷示意图

2 工艺流程与CAE仿真

2.1 工艺流程

链轮的冷挤压成形工艺流程如图3所示，具体为：先将下好的304坯料镦粗冲孔，通过退火软化和表面处理使坯料的性能改变，再放入挤压模具里，依次进行预成形挤压及冷挤压成形，最后再进行回火，得到所需制品.链轮的成形过程如图4所示.

图3链轮冷挤压成形工艺流程图

图4链轮成形过程示意图

2.2 CAE仿真

目前，评估冷挤压成形工艺的好坏，一般采用经验法和类比法，其思路是：待模具设计完成后，用设定好的坯料在模具中挤压出零件，再按照零件出现的各种质量问题如表面波纹、表面划伤、表面麻坑、挤压件内部裂纹、挤压件壁厚差太大等，对模具和挤压工艺参数进行反复修正，直到挤压出合格零件[7-11].为了验证所设计的链轮是否达到预期要求，本研究基于CAE仿真平台，从链轮与滚子的啮合，链轮内圈棘轮与棘爪的接触两方面进行受力分析.其有限元分析步骤如图5所示.

图5 链轮各部位受力有限元模拟方法步骤

2.2.1 内 齿.

建立小链轮的内圈棘轮和棘爪的三维模型，与链轮外圈配合产生一个装配体，如图6所示.

图6小链轮的三维装配模型

首先，从小链轮的装配体模型新建一个静应力分析算例，确定分析模型的边界条件.链轮外圈为304不锈钢，其余为合金钢.添加夹具约束，固定棘轮和棘爪，施加载荷，具体如图7所示.根据自行车轮胎所受摩擦力近似计算小链轮受到的转矩T≈μN，式中，μ=0.02，N=500 N，T=1 N·m.

图7约束链轮与棘轮和棘爪

基于模型曲率划分网格单元如图8所示，网格精度判定方法：最大应力集中部分覆盖2层或2层以上的单元，运行求解(如图9所示)，并分析结果.

棘爪(千斤)的根部通过销钉与棘轮连接，所受应力通过棘爪顶部与链轮内齿接触部分传递到根部销钉与内圈铰接处，从而减小了应力在链轮体上的集中，其应力分布如图10所示.由图10可以看出，小链轮外圈上没有产生应力集中现象，最大合应力处为0.094 MPa，最小合应力处为0.008 MPa，符合设计要求.

图10应力连续分布示意图

2.2.2 外 齿.

建立滚子的实体模型，与链轮外圈配合生成装配体，具体如图11所示.

图11滚子链轮装配体

定义其边界条件，在simulation工作界面新建一个算例，添加夹具约束轮齿的位移如图12所示.施加一个作用于齿廓曲面上的压应力，基于曲率划分网格单元运行求解并分析结果，在表格选项中更改应力单位(MPa)得到最大、最小应力，其应力分布如图13所示.

图12定义边界条件

图13应力连续分布结果图

由图13可知，齿形上的载荷分布主要集中在链轮轴向端面上，轮齿所受最大合应力为0.322 MPa，最小合应力为0.146 MPa，链轮整体的应变量不大.此表明，轮齿强度足以抵抗其受力时的塑性变形.

3 模具结构设计

本模具结构设计以零件下型面为基准(凹模基准)，凸模按照零件对半配做，其结构如图14所示.其中，图14(a)为模具A-A截面剖视图，图14(b)为模具B-B截面剖视图，图14(c)为模具俯视图.

1：下模座；2：方键；3：凹模固定板；4：导柱；5：拉杆；6：凹模套；7：导套；8：螺母；9：螺栓；10：模柄；11：螺栓；12：上模座；13：上垫板；14：凸模套；15：凸模；16：凹模；17：中芯；18：下垫板；19：顶出杆；20：托板；21：推管

图14链轮的模具装配图

在图14的模具结构中，由于导柱与导套的配合间隙较小，相对滑动时容易将润滑油挤出，通常在导柱上部设计一些凹槽.毛坯在凸、凹模挤压下完成成形后，在拉杆及托板的作用下，凸模与凹模开始分离，顶出机构推动推管，推管将制件从凹模型腔内推出，完成卸料动作.顶出机构与托板的配合为过盈配合.冷挤压模具的主要固定机构是凹模套、凸模套以及螺栓.为了保证凹模板与凹模套的紧密贴合，凹模套与凹模固定板之间的接触面应留出一定的间隙.

4 结 论

本研究基于有限元方法及冷挤压成形工艺设计的小链轮，其外圈与滚子在啮合上没有应力集中现象，最大处合应力为0.094 MPa，最小处合应力为0.008 MPa，而内圈棘轮与棘爪载荷在齿形上的分布主要集中在链轮轴向端面上，轮齿所受最大合应力为0.322 MPa，最小合应力为0.146 MPa，均在规定范围内.数据表明，链轮强度足以抵抗其受力时的塑性变形，符合设计要求.本研究表明，基于有限元软件分析计算链轮冷挤压成形工艺过程，可以预先判断出零件是否达到设定要求，从而缩短生产时间、节约生产成本.