姚國(guó)平，陳 磊

齒輪冷擠壓成形影響因素模擬分析研究

姚國(guó)平，陳 磊

齒輪是廣泛使用的機(jī)械傳動(dòng)零件，冷擠壓是制造齒輪的方法之一。采用數(shù)值模擬方法分析了齒輪冷擠壓過程的影響因素。發(fā)現(xiàn)坯料選擇要考慮到?jīng)_壓力大小，結(jié)合零件形狀，最好與齒頂圓相同，或比齒頂圓大1～2mm。坯料中帶孔擠壓可以降低擠壓力約10%，因而降低了凹模受力，可降低模具磨損，提高模具壽命。沖頭含凸臺(tái)時(shí)，凸臺(tái)高度要小于凹模入口角高度，否則會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部空洞。凹模入口角盡量加大以減小受力。凹模中芯棒對(duì)沖頭受力影響很大，隨著直徑增加而增加。采用復(fù)合擠壓是一種很好的齒輪成形方式，能夠降低材料消耗和后續(xù)的切削量。

齒輪是廣泛使用的機(jī)械傳動(dòng)零件，齒輪形狀復(fù)雜，加工及性能要求高。傳統(tǒng)的加工齒輪的方法采用機(jī)械加工，一般采用插齒或滾齒法，需要專業(yè)加工設(shè)備，加工速度慢，效率低。冷擠壓技術(shù)加工齒輪，能夠克服機(jī)械加工的很多缺點(diǎn)，加工速度快，一般幾秒鐘就可完成一個(gè)零件的擠壓，特別適合大批量生產(chǎn)，在機(jī)械零件，特別是汽車的零部件中得到了廣泛的應(yīng)用。

在冷擠壓過程中，影響因素很多，如擠壓力、材料、模具、設(shè)備等，其中擠壓力是一個(gè)主要的指標(biāo)。擠壓力大小直接影響著模具受力和模具壽命，在設(shè)計(jì)中是一個(gè)非常重要的問題。通過擠壓力分析，可以得到優(yōu)化的模具結(jié)構(gòu)與形狀。傳統(tǒng)分析擠壓力是通過一些經(jīng)驗(yàn)公式，然而對(duì)于一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)，很難準(zhǔn)確進(jìn)行計(jì)算。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元理論的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到成形模擬過程中，在模具設(shè)計(jì)、成形缺陷分析等方面發(fā)揮著越來越大的作用。

1. 理論分析

齒輪冷擠壓過程如圖1所示，包括坯料、沖頭及凹模三部分組成。凹模又可分為兩部分，上下凹模。上凹模的作用是進(jìn)行坯料導(dǎo)向，下凹模是成形模，包括入口部分、刃帶及型腔。

齒輪是一個(gè)包含多個(gè)參數(shù)的零件，通常有齒數(shù)、齒頂圓、齒根圓、模數(shù)等。本文分析齒輪參數(shù)為：齒數(shù)11、模數(shù)2.117、壓力角14.5°、齒頂圓29.6mm、齒根圓21.2mm、變位系數(shù)0.66。模具材料為20CrMo。

圖2為采用CAD軟件繪出的齒輪圖。齒輪外圓就是坯料形狀。當(dāng)坯料通過齒輪模具時(shí)，力全部作用在圖2中圓與齒輪線的相交的面積內(nèi)，采用軟件計(jì)算得到面積：齒輪501.6mm2，30mm直徑的坯料圓面積706.5mm2，那么相交面積S為204.9mm2，這部分面積也就是力直接作用的面積。假設(shè)沖頭作用在坯料上的力F為400kN（40t），則作用在凹模上的壓強(qiáng)p近2000MPa。因而冷擠壓凹模受力非常大，優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)與材料性能非常重要。

凹模入口角度?是一個(gè)非常重要的指標(biāo)，根據(jù)公式p=Fcos?/ (Scos?)可得，當(dāng)入口角度較大時(shí)，可大幅降低凹模所受的壓強(qiáng)。

圖1 齒輪模具示意

2. 數(shù)值模擬

（1）數(shù)值模型 齒輪數(shù)值模型如圖3所示，首先在三維軟件CATIA中畫出凸凹模和坯料的三維模型，然后轉(zhuǎn)換為STL文件，導(dǎo)入到Deform模擬軟件中。模擬過程中，根據(jù)對(duì)稱性，采用一半或一個(gè)齒進(jìn)行分析，這樣可以大幅節(jié)約時(shí)間。模擬過程中，凹模不動(dòng)，沖頭以速度1mm/s向下運(yùn)動(dòng)。計(jì)算過程采用直接迭代法，采用剪切摩擦模型，摩擦因數(shù)假設(shè)為0.1，且在整個(gè)過程中保持不變。凹模入口角度為20°，并在所有邊界倒1mm圓角。

（2）坯料形狀 坯料形狀主要指坯料大小，包括高度和直徑，由于高度只影響最終零件大小，因而只分析直徑影響。直徑大小有兩種，一種是大于齒頂圓直徑，一種是小于齒頂圓直徑。對(duì)大于齒頂圓直徑，采用30mm、35mm及40mm進(jìn)行分析。模型中采用一半坯料。圖4顯示了不同直徑坯料的模擬結(jié)果。從圖中可看出，不同坯料齒形前端有部分充型不飽滿，經(jīng)測(cè)量30mm坯料頭部有4.4mm圓角未充滿區(qū)域，35mm坯料有3.9mm，40mm有3.3mm。由于齒形前端還需要倒角和機(jī)加工端面，因而這三種均能滿足要求。成形力是沖頭所受Z方向的力，從圖中可看出，30mm受力約為280kN，35mm約為550kN，40mm約為1000kN。沖頭受力隨著坯料直徑增大急劇上升。所需壓力機(jī)噸位也將增大，因而坯料不能過大。

對(duì)坯料為29mm和28mm的情況進(jìn)行分析。模型中采用一個(gè)齒進(jìn)行了分析。圖5顯示了模擬結(jié)果。成形過程中坯料在沖壓力的作用下，首先發(fā)生鐓粗到與上凹模完全相同的直徑，然后才成形齒輪。從圖中可看出，沖頭受力變化不大，但是齒頭部分的充型較差，均超過了5mm。說明不宜采用過小的坯料。

圖2 齒輪形狀

圖3 數(shù)值模擬模型

圖4 不同坯料的模擬結(jié)果

圖5 不同坯料的模擬結(jié)果

圖6 帶孔坯料模擬模型

圖7 帶孔坯料模擬結(jié)果

由于齒輪中心有一個(gè)孔，因而可采用帶孔坯料進(jìn)行擠壓成形。圖6為帶孔擠壓過程的模擬模型。模型中，采用一半進(jìn)行模擬，孔直徑為12mm，坯料為30mm，為防止坯料變形，需要在沖頭加芯棒。從圖中可以看出，沖頭受力為250kN，與未加孔模擬結(jié)果小10%左右。說明孔的去除，使變形坯料少了一部分，因而沖壓力降低，這樣也可以降低凹模受力，從而降低磨損，提高模具壽命（見圖7）。

（3）沖頭形狀 沖頭形狀也是一個(gè)影響擠壓過程的主要因素之一，沖頭常用錐形，這樣可降低擠壓力。本部分對(duì)沖凸臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。模擬過程顯示，首先是凸臺(tái)進(jìn)行擠壓孔成形過程，擠壓孔完成后，再把坯料擠入齒輪型腔。圖8a凸臺(tái)高度為6mm，圖8b凸臺(tái)高度為16mm，從圖中可看出，沖壓力穩(wěn)定階段的平均值基本沒有變化，只是在前段部分顯示了正在進(jìn)行擠壓孔的過程，沖壓力在逐步上升，運(yùn)行距離與凸臺(tái)高度相同。在圖8b中，凸臺(tái)達(dá)到16mm時(shí)，由于凸臺(tái)孔已經(jīng)進(jìn)入到了齒輪型腔，因而在凸臺(tái)下面被拉長(zhǎng)為一個(gè)孔洞，說明在沖頭加工凸臺(tái)的過程中，不能太高，否則坯料被拉長(zhǎng)后，齒形不能完全符合模具形狀，會(huì)發(fā)生畸變。凸臺(tái)高度不能超過下凹模的入口角。

（4）凹模形狀 凹模形狀包括入口角、圓角等，此部分從理論分析即可得出，入口角度越大越好，圓角也是越大越好。本部分主要考慮凹模內(nèi)部加入一個(gè)芯棒后對(duì)成形過程的影響。模擬

中只分析一個(gè)齒。芯棒圓角為3mm，直徑為10mm、12mm、14mm。從圖9可看出，凹模所受力基本不變（45kN），變化的是芯棒所受的力。10mm、12mm和14mm芯棒所受的力（Z方向）為16kN、24kN和35kN。沖頭所受力等于凹模和芯棒所受力之和。所以隨著芯棒直徑增加，沖頭所受力也增大，但是凹模力不變，因而齒成形所需的力是不變的。

圖8 帶凸臺(tái)沖頭的模擬結(jié)果

圖9 不同芯棒直徑對(duì)成形的影響

（5）復(fù)合擠壓 通過上下模形狀的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可對(duì)齒輪擠壓過程進(jìn)行復(fù)合擠壓。從圖10可看出，復(fù)合擠壓過程集合了沖頭凸臺(tái)和凹模芯棒的特點(diǎn)，也是先擠壓凸臺(tái)，然后再進(jìn)行擠壓齒形的過程。由于齒輪心部都有孔，因而采用復(fù)合擠壓可以很好地降低材料消耗，降低切削量，是一種非常好的模具設(shè)計(jì)方法。

3. 典型零件試驗(yàn)

對(duì)典型齒輪零件進(jìn)行了冷擠壓試驗(yàn)，圖11a采用帶孔和不帶孔擠壓，可以看出，采用帶孔擠壓，齒形前端不飽滿較少。圖11b顯示了復(fù)合擠壓，材料節(jié)省，切削量小。

4. 結(jié)語(yǔ)

（1）坯料選擇要考慮到?jīng)_壓力大小，結(jié)合零件形狀，最好與齒頂圓相同，或比齒頂圓大1～2mm。

（2）坯料中帶孔擠壓可以降低擠壓力約10%，因而降低了凹模受力，可降低模具磨損，提高模具的壽命。

（3）沖頭含凸臺(tái)時(shí)，凸臺(tái)高度要小于凹模入口角高度，否則會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部空洞。

圖10 復(fù)合擠壓過程

圖11 典型齒輪零件冷擠壓

（4）凹模入口角盡量加大，以減小受力。凹模中芯棒對(duì)沖頭受力影響很大，隨著直徑增加而增加。

（5）采用復(fù)合擠壓是一種很好的齒輪成形方式，能夠降低材料消耗和后續(xù)的切削量。

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鍛壓專業(yè)征稿啟事

《金屬加工（熱加工）》現(xiàn)面向廣大鍛壓工作者征集關(guān)于沖壓車間、沖壓優(yōu)化及工藝、熱沖壓生產(chǎn)線、多工位沖壓及自動(dòng)化；精鍛生產(chǎn)線、鍛造流程生產(chǎn)、零部件鍛造工藝、鍛造生產(chǎn)轉(zhuǎn)型升級(jí)；鈑金數(shù)字工廠、鈑金上下料矯平檢測(cè)、激光鈑金工藝、鈑金成形難點(diǎn)等策劃約稿，文章一經(jīng)錄用，將在策劃期次及時(shí)發(fā)表。

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姚國(guó)平，康靈集團(tuán)有限公司；陳磊，杭州電子科技大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)研究所。