何孟林 李光兵

摘要：介紹了冷擠花鍵的基本成型原理及相較其他成形方式的主要優(yōu)勢(shì)，利用DEFORM軟件對(duì)花鍵成型過程進(jìn)行了模擬，結(jié)合模擬結(jié)論，給出了零件毛坯管料加工的直徑范圍。

關(guān)鍵詞：冷擠花鍵；數(shù)值模擬；脈沖擠壓；參數(shù)優(yōu)化

1引言

花鍵冷擠壓是指在常溫下通過齒模擠壓金屬材料使其產(chǎn)生塑性變形的加工方法，冷擠壓成形技術(shù)靠模具的形狀來控制金屬的流動(dòng)方向，通過金屬的軸向或徑向流動(dòng)來形成所需的零件。

與其他加工方式比較，冷擠壓成形工藝的主要優(yōu)勢(shì)如下：

（1）降低原材料的消耗：

冷擠壓在不破壞金屬的前提下，使金屬材料作塑性轉(zhuǎn)移，可以達(dá)到少切削或無切削的近凈成形，提高材料的利用率，冷擠壓材料的利用率可達(dá)80%以上。

（2）提高勞動(dòng)生產(chǎn)率：

冷擠壓在壓力機(jī)上完成，一次行程即可完成零件加工，效率比切削方式高近10倍。

（3）強(qiáng)度高：

由于冷擠壓工件材料流線連續(xù)，表面塑性變形后晶粒組織更加致密，存在加工硬化現(xiàn)象，同時(shí)，由于金屬擠壓過程中有殘余壓應(yīng)力，使冷擠花鍵的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度較切削花鍵提升20%。

（4）制件可獲得較高的表面粗糙度和尺寸精度

冷擠壓制件表面質(zhì)量較好，表面粗糙度Ra可達(dá)0.4-1.25μm，擠出零件精度主要取決于模具精度，可達(dá)IT7-IT8級(jí)。

2有限元模型建立

圖1為車輛轉(zhuǎn)向空心軸產(chǎn)品，產(chǎn)品花鍵外徑為φ15.69-15.8mm，孔徑為φ6mm，花鍵齒高為0.5mm，在冷擠壓過程中，花鍵齒形變形主要集中在胚料的圓周表面，與模具接觸的齒底金屬在擠壓力作用下產(chǎn)生塑性變形，向未接觸模具的齒槽側(cè)流動(dòng)，形成零件的齒頂。因零件存在缺齒，故周齒變形量有所不同，為有效對(duì)全齒和缺齒部位進(jìn)行模擬，建立了缺齒+全齒的對(duì)稱模型，以保證仿真的準(zhǔn)確性。

模擬采用DEFORM 3D軟件，零件為彈塑性體，采用局部網(wǎng)格細(xì)化，減少模擬時(shí)間。模具為剛性體，建立模型如圖2、圖3所示：

3零件擠壓強(qiáng)度校核

3.1擠壓力計(jì)算

根據(jù)等體積成形原理，花鍵成型體積中值為15.20mm。

所以零件加工花鍵所需的總擠壓力約為16.362kN。

3.2擠壓花鍵軸的穩(wěn)定性

零件全長(zhǎng)為L(zhǎng)=263.54mm，外徑為D=φ22.4mm，內(nèi)徑最小為d=φ16.4mm，為簡(jiǎn)化計(jì)算，將其近似考慮為空心圓管，取E=210GPa。零件橫截面的慣性矩為：

帶入已知數(shù)據(jù)，得：P=262430.8N=262.4308kN

零件總擠壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料臨界壓力，在擠壓過程中不會(huì)因擠壓力而失穩(wěn)。

4零件擠壓方式確定

我公司于2014年購(gòu)入了德國(guó)FELSS花鍵冷擠壓設(shè)備，該設(shè)備具備脈沖擠壓功能，從仿真情況來看，相同條件下，分別采用一次擠壓和脈沖擠壓的情況下，采用脈沖擠壓能夠降低10-15%的擠壓力，零件尺寸沒有明顯差異，因此，后續(xù)實(shí)際零件擠壓過程均采用脈沖擠壓方式，以降低擠壓力。

5零件擠前尺寸確定

零件花鍵模具大徑按照D=φ15.80mm、小徑d=φ14.69、跨棒距為17.03mm設(shè)計(jì)時(shí)，其理論體積中點(diǎn)直徑為φ15.20mm，考慮零件表面材料的橫向及縱向流動(dòng)，分別取毛坯直徑模擬，為簡(jiǎn)化模擬過程，采用一次擠壓完成零件加工，結(jié)果如表2所示：

從仿真結(jié)果看，直徑為15.20-15.40mm均能順利成型，其中φ15.2mm成形后，缺齒部位填充較好，但全齒部位充形不飽滿，大徑尺寸偏下限；φ15.3ram成形后，后端余料均勻產(chǎn)品表面質(zhì)量較好；φ15.4模具充型最為飽滿，尺寸已接近上限；φ15.6花鍵擠壓時(shí)，距端面5mm處零件明顯折疊，不能順利成型。

從仿真力來看，因零件存在缺齒，仿真采用的是1/6對(duì)稱方式，擠壓力經(jīng)驗(yàn)公式未考慮缺齒對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，而仿真過程按照6顆缺齒計(jì)算又放大了擠壓力，所以理論計(jì)算結(jié)果和仿真結(jié)果均不能準(zhǔn)確的體現(xiàn)真實(shí)的擠壓力，但二者均可作為真實(shí)擠壓力的參考值，用以指導(dǎo)擠壓參數(shù)選擇和模具壽命的計(jì)算，圖圖5所示。

從擠壓力及成形效果來看，零件擠壓前毛坯管直徑應(yīng)控制在15.20-15.30mm。

6工藝驗(yàn)證

根據(jù)理論計(jì)算及模擬分析，在FELSS的AXIMUS-H02設(shè)備進(jìn)行了冷擠驗(yàn)證，取0.02mm為一組，每組兩件；從15.24-15.32mm分別進(jìn)行了冷擠試驗(yàn)，如表3所示。

7結(jié)語(yǔ)

（1）采用DEFORM軟件，能夠很好的與實(shí)際情況對(duì)應(yīng)，仿真結(jié)果能夠有效的指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

（2）采用脈沖擠壓方式，能夠降低零件擠壓10-15%的擠壓力，對(duì)零件質(zhì)量及模具壽命均有較大幫助。

（3）坯料直徑越大，擠壓力越大，但擠前直徑過小擠出的花鍵外徑將不合格，根據(jù)花鍵體積中值要適當(dāng)放大擠前尺寸。