雷建波，鄭曉凱，楊顯紅

（1.海裝重慶局，重慶 400042；2.重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400044）

內(nèi)花鍵是機(jī)械傳動中的重要零部件，主要起聯(lián)接和傳動作用，廣泛應(yīng)用于汽車制造領(lǐng)域。冷擠壓是一種高精、高效、優(yōu)質(zhì)低耗的金屬塑性成形工藝。傳統(tǒng)的直接冷擠壓成形工藝，凸模對凹模側(cè)壁作用力大，花鍵不易從凹模取出，造成生產(chǎn)的不連續(xù)性及模具壽命減小。基于此，對內(nèi)花鍵的擠壓工藝進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化。

1 內(nèi)花鍵冷擠壓工藝的改進(jìn)

圖1 所示為內(nèi)花鍵零件示意圖，為簡單回轉(zhuǎn)體零件，花鍵齒頂尺寸公差為0.3mm，且表面粗糙度要求為Ra6.3。采用冷擠壓成形工藝不僅保證內(nèi)花鍵成形精度，而且提高零件的力學(xué)性能。本工藝與傳統(tǒng)的冷擠壓工藝相比，改進(jìn)之處在于增加了一道預(yù)成形工序。圖2a 為傳統(tǒng)的直接成形內(nèi)花鍵，屬于反擠壓成形，圖2b 為改進(jìn)的間接成形，即在棒狀坯料上先預(yù)鉆成形孔，再冷擠壓成形內(nèi)花鍵齒形，屬于正擠壓成形。

2 有限元模型的建立

坯料為塑性體，模具為剛性體（忽略模具變形），由于內(nèi)花鍵套為簡單回轉(zhuǎn)體，所以只取1/2 進(jìn)行數(shù)值模擬。坯料選用AISI-1035，楊氏模量Y=29987.1MPa，泊松比v=0.3，數(shù)值模擬采用剛塑性流動應(yīng)力模型：，其中表示等效應(yīng)變表示等效應(yīng)變速率，T 表示變形溫度。剛塑性有限元理論基礎(chǔ)為馬克夫變分原理，在滿足變形速度與應(yīng)變速率關(guān)系式、體積不可壓縮條件和速度邊界條件式的一切運(yùn)動容許速度場vi中，使泛函數(shù)為：

3 模擬結(jié)果分析

花鍵冷擠壓過程中主要考慮兩個(gè)要點(diǎn)，其一是花鍵的成形質(zhì)量要良好，其二是減小坯料對凹模側(cè)壁的作用力。在整個(gè)間接成形過程中，影響花鍵成形質(zhì)量的主要因素有工藝孔直徑?、凸模導(dǎo)向部分入模半角α/2。采用不同尺寸的工藝孔直徑進(jìn)行模擬，得出最優(yōu)尺寸，然后對不同入模半角進(jìn)行模擬，得出間接成形的最佳工藝參數(shù)。

3.1 工藝孔直徑的確定

圖3 所示為采用間接成形時(shí)，不同預(yù)成形工藝孔直徑成形內(nèi)花鍵齒形的示意圖。可以看出，直徑越大，內(nèi)花鍵齒形的成形精度越差，原因在于隨著直徑的增大，需要填充齒形的金屬材料就越多。根據(jù)最小阻力定理，大部分金屬都向軸向流動，很難向周向流動來填充齒形，從而導(dǎo)致內(nèi)花鍵齒形成形精度難以保證。同時(shí)工藝孔直徑也不能太小，過小工藝孔使金屬在成形過程中與坯料的摩擦力增大，且向孔端面外流動，從而不能保證較好的端面質(zhì)量及花鍵齒形精度。

圖3 間接成形內(nèi)花鍵齒形

表1 所示為不同預(yù)成形工藝孔直徑對齒形精度和凹模側(cè)壁作用力的影響?？梢钥闯?，工藝孔直徑?取20.5mm 時(shí)，齒形未與凹模內(nèi)壁接觸的最大距離最小，即齒形質(zhì)量最好，端面也未出現(xiàn)褶皺等現(xiàn)象，尺寸精度達(dá)到生產(chǎn)規(guī)定要求。同時(shí)，在冷擠壓過程中，內(nèi)花鍵齒形對凹模側(cè)壁的最大作用力F=8560N，遠(yuǎn)小于直接成形時(shí)的作用力35500N，使花鍵容易取出，同時(shí)提高了模具使用壽命，如圖4 所示。因此，為保證生產(chǎn)連續(xù)性和提高生產(chǎn)效率，采用間接成形優(yōu)化后的加工工藝優(yōu)于直接成形，成形孔直徑?=20.5mm。

表1 不同預(yù)成形孔直徑對齒形精度和凹模內(nèi)壁作用力影響

3.2 入模半角的確定

合適的入模半角不僅有利于花鍵齒頂?shù)奶畛?，而且金屬流動行程適中，使擠壓力減小。本文選取入模半角 α/2 為 20°、22.5°、25°、27.5°進(jìn)行數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)α/2 為25°時(shí)，凸模導(dǎo)向部分長度適中，擠壓力最小，且此時(shí)齒頂成形質(zhì)量最好，故入模半角α/2 取25°。

4 結(jié)論

（1）與傳統(tǒng)的直接成形內(nèi)花鍵相比，間接成形內(nèi)花鍵對凹模內(nèi)壁的作用力大大減小，使花鍵容易取出，同時(shí)提高了生產(chǎn)效率及模具使用壽命。

（2）通過模擬優(yōu)化發(fā)現(xiàn)：間接成形內(nèi)花鍵時(shí)，成形孔直徑?取20.5mm，入模半角α/2 取25°時(shí)，零件尺寸精度最高，為最優(yōu)方案。

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