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        齒輪冷擠壓成形影響因素模擬分析研究

        2015-12-09 13:04:34姚國(guó)平
        金屬加工(熱加工) 2015年3期
        關(guān)鍵詞:芯棒凹模坯料

        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。

        《金屬加工》編輯部

        聯(lián)系電話:010-88379798轉(zhuǎn)623 王老師投稿方式:1. rb1950@126.com

        工作QQ∶ 2224882613 2. www.metalworking1950.com

        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。

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