擠壓成形是一種無屑成形的先進(jìn)制造技術(shù)之一，它具有優(yōu)質(zhì)、高效、低耗的特點(diǎn)。型腔內(nèi)曲面為阿基米德螺線型花瓣的超越離合器齒輪，是工程機(jī)械上一種常用零件，在實際生產(chǎn)中需求量很大，但壁厚不均勻，機(jī)械切削加工難度很大，有采用機(jī)加工與焊接相結(jié)合的工藝方法，這樣不但費(fèi)時費(fèi)料，加工成本高，且強(qiáng)度低、整體精度差，滿足不了日益提高的綜合性能的要求，而采用擠壓成形工藝能較好的解決此問題。超越離合器齒輪(圖1)的擠壓成形符合復(fù)雜杯一桿復(fù)合擠壓成形的工藝特征，根據(jù)金屬的流動試驗，型腔內(nèi)曲面為阿基米德螺線形花瓣的超越離合器齒輪擠壓的金屬流動屬于杯一桿復(fù)合擠壓中的過渡方式，其流動規(guī)律復(fù)雜，零件擠壓工藝方案的理論分析結(jié)果與實際的流動方式存在差異，容易導(dǎo)致設(shè)計失敗。而采用3D
鍛造模擬分析軟件Qform 進(jìn)行數(shù)值模擬能在一定程度上模擬出金屬的流動規(guī)律，為設(shè)計正確的試驗工藝方案提供更有力的理論依據(jù)。
圖1 超越離合器齒輪零件圖
零件擠壓成形的工藝設(shè)計
擠壓零件的工藝性分析
超越離合器齒輪是屬于復(fù)雜杯桿形零件，上型腔內(nèi)曲面為阿基米德螺線形花瓣，壁厚不均勻，容易引起金屬的流動不均勻，使擠壓件的形狀畸變，而且超越離合器齒輪中間部分是節(jié)圓直徑為24.5mm 的圓柱齒輪，根據(jù)零件圖要求保證齒輪的上型腔和齒輪同心，所以要把齒輪的內(nèi)型腔和齒輪同時擠壓成形，因此超越離合器齒輪冷擠工藝屬復(fù)合擠壓，金屬在壓力作用下呈雙向流動。正擠部分金屬流動容易，特別是中心部分金屬流動速度遠(yuǎn)大于直齒齒頂部分，因此易將直齒齒頂部分拉裂。而正因為中心部分金屬向下流動速度過大，又造成了上型腔底部嚴(yán)重缺料，因此上型腔底部處也易產(chǎn)生裂紋。為了減少金屬向下的流量，尤其減少零件心部過大的向下流量，考慮采用空心的坯料，從而避免直齒齒頂部、上型腔底部兩處因缺料而產(chǎn)生的裂紋。
超越離合器齒輪擠壓件設(shè)計
在參照超越離合器齒輪零件圖的前提下，為了改善變形條件，降低變形阻力，在臺階過渡處設(shè)計圓角，為了改善金屬流動狀況，有利于齒輪部分成形，在
φ31.5mm 到
φ28mm 的臺階采用錐面過渡，錐角為90°，同時由于正擠壓成形時，坯料中心部位的流速大于邊緣部位的流速，所以造成齒輪部分的下端面齒形不飽滿，而且齒輪下面還有個臺階，一次成形比較困難，可以采用貫穿擠壓的方法，下半部分全部成形為齒輪，成形后通過機(jī)加工切成要求的齒輪厚度，擠壓件圖如圖2 所示。
圖2 齒輪擠壓零件圖
工序設(shè)計
超越離合器齒輪所用的材料為高強(qiáng)度合金鋼20CrMnTi，其供應(yīng)狀態(tài)強(qiáng)度高、變形抗力大、塑性差，存在加工硬化現(xiàn)象。可以采用20 鋼作為毛坯材料代替，大大減小成形的變形抗力，由于采用空心毛坯，可以減少制造毛坯的切削量，同時擠壓成形后，材料的機(jī)械性能大幅度提高，各項性能指標(biāo)滿足零件的性能要求。制定成形工藝流程(圖3)為：下料→制坯→擠壓成形→機(jī)加工→入庫。
圖3 超越離合器齒輪成形工藝
工藝計算
毛坯采用空心毛坯，可以用20 鋼棒料通過反擠壓和沖底制成，毛坯的直徑為
φ31.5mm，與零件大端直徑保持一致，通孔的直徑選澤
φ11mm，這樣可以減少擠壓時的變形量和移動量，從而減少擠壓力保護(hù)模具，根據(jù)零件圖，超越離合器齒輪零件的體積為：V=9346.29mm
3.在擠壓完成時，凸模與凹模的最終距離確定為2mm(距離過小時，擠壓力急劇上升)。根據(jù)V
坯=V
擠壓件原則，V
坯=9346.29mm
3，毛坯半徑r
1 為15.75mm 通孔半徑r
2 為5.5mm，那么毛坯的高度為：
。
公式計算法：鋼冷擠壓成形時，其擠壓力可按下式估算：
式中：F——擠壓力(kN)；p——單位擠壓力(MPa)；x——模具形狀系數(shù)；n——擠壓變形程度系數(shù)；K——安全系數(shù)、一般取1.3；σ
b——擠壓前毛坯的抗拉強(qiáng)度；A——坯料截面面積(mm
2)。
F ＝Ap ＝AxnKσ
b ＝217.8×10
-6×1.2×6×1.3×400×10
6 ＝815.4kN
成形方案的模擬分析
模擬模型的建立
圖4 為該零件的立體圖，現(xiàn)使用Qform 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析。
圖4 超越離合器齒輪擠壓件的立體圖
⑴由于坯料和模具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選取坯料和模具的1/4 進(jìn)行模擬，可以減小模擬的運(yùn)算量；
⑵坯料和模具由SolidWorks 軟件保存step 文件導(dǎo)入后，劃分網(wǎng)格毛坯的單元數(shù)13196 個，結(jié)點(diǎn)數(shù)6600 個；
⑷邊界條件為常摩擦模型，模具用的潤滑劑MoS
2，摩擦因子0.5；
⑸壓機(jī)速度為0.006m/s，壓力最大載荷315 噸；⑹冷擠溫度為20℃。
Qform 軟件模擬的成形過程及分析
Qform 軟件模擬的成形過程，在成形過程中發(fā)現(xiàn)，該零件在復(fù)合擠壓過程中，金屬存在一個明顯的分流層，該層為上凸模擠壓阿基米德螺線形花瓣部分的圓角與正擠出口圓角連線所形成的圓環(huán)形區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)側(cè)金屬向正擠壓出口流動，外側(cè)金屬向反擠壓出口方向流動，由于反擠壓出口的摩擦阻力較大，所以正擠壓速度高于反擠壓速度，但是由于齒形成形比較困難，而且成形量大，造成上部阿基米德螺線形花瓣內(nèi)腔優(yōu)先于下部分齒輪先完成成形。最終成形的速度和流動應(yīng)力圖見圖5(圖中細(xì)線長短表示金屬流動速度大小)，在復(fù)合擠壓過程中，流動等效應(yīng)力最大的地方集中在擠壓件擠壓分流的地方，在坯料的棱部也有少許較大應(yīng)力，最大流動等效應(yīng)力220.3MPa，未超過材料的許用應(yīng)力，仍應(yīng)注意避免產(chǎn)生內(nèi)部裂紋。在成形過程中，由于零件中心層的金屬流動快，遠(yuǎn)大于外層金屬流動，在一些劇烈的摩擦區(qū)域，如齒輪成形部分，外層金屬不但不會向下流動，反而會向上流動，形成渦流運(yùn)動，結(jié)果產(chǎn)生縮孔。由于該零件的內(nèi)型腔是五個花瓣狀的，不是對稱的，擠壓時受力不均勻，零件中間
φ14mm 的孔屬于階梯形內(nèi)孔，一次成形由于受力不均勻，造成金屬流動不均勻，在中間孔
φ14mm 附近會出現(xiàn)塌陷。
圖5 最終成形的速度和流動應(yīng)力圖
圖6 所示為該材料成形擠壓過程的行程一載荷曲線。可以看出，最初復(fù)合擠壓的壓力比較小，壓力變化比較平穩(wěn)，到了上型腔成形完成，齒輪單獨(dú)成形階段，壓力顯著變大，整個齒輪單獨(dú)成形階段，擠壓力波動不大，但擠壓力很大，此階段對模具和設(shè)備的強(qiáng)度和剛度要求很高，最大成形力為1360kN，模具的強(qiáng)度設(shè)計和設(shè)備的選用要以此階段為依據(jù)。
圖6 擠壓過程的行程—載荷曲線
①擠壓零件的改進(jìn)，為了有利于一次成形，去掉階梯形內(nèi)孔，即去掉
φ14mm 的中間孔，如圖7 所示，
φ14mm 中間孔通過機(jī)加工獲得，這樣可以有效提高成形零件的質(zhì)量；
圖7 改進(jìn)的擠壓零件圖
②為了減小擠壓力，有利于零件成形，改善模具的潤滑條件，采用摩擦因子更小的潤滑劑，并在零件的臺階處設(shè)置較大圓角，便于金屬流動；
③為了減少渦流，給凸模和凹模采用不同的潤滑劑，凸模的潤滑劑摩擦因子大，凹模的潤滑劑摩擦因子小；
④減小凹模齒輪成形的工作帶高度，把工作帶高度減小到2.5mm，可以大大減小坯料和凹模之間摩擦力。
擠壓工藝改進(jìn)后，如圖8 改進(jìn)工藝后最終成形的速度和流動應(yīng)力圖所示，消除階梯形孔擠壓成形出現(xiàn)的塌陷現(xiàn)象。如圖9 改進(jìn)后的最終成形的有效應(yīng)變圖所示，大大減少了擠壓成形由于摩擦因素和金屬流動不均勻造成的縮孔現(xiàn)象，提高了成形零件的質(zhì)量。如圖10 改進(jìn)工藝后擠壓過程的行程一載荷曲線所示，明顯降低擠壓力，改進(jìn)工藝后的最大擠壓力為1120kN，比沒有改進(jìn)前降低240kN，有效保護(hù)模具，降低擠壓時的能耗。
圖8 改進(jìn)后的最終成形的速度和流動應(yīng)力圖
圖9 改進(jìn)后的最終成形的有效應(yīng)變圖
圖10 改進(jìn)后的擠壓過程的行程一載荷曲線
結(jié)束語
用冷擠壓成形技術(shù)來成形復(fù)雜內(nèi)型腔類零件—超越離合器齒輪，具有傳統(tǒng)切削加工工藝所不可比擬的優(yōu)點(diǎn)：材料利用率高，生產(chǎn)效率高，零件精度高，使用壽命高。目前采用一次性將該超越離合器齒輪的內(nèi)曲面外齒形擠壓成形是最經(jīng)濟(jì)、最理想、最有效的成形工藝方法。同時通過對型腔內(nèi)曲面為阿基米德螺線形花瓣的超越離合器齒輪成形過程的數(shù)值模擬仿真，利用數(shù)值模擬仿真結(jié)果。實現(xiàn)了對毛坯的精確化，大大提高了材料利用率，節(jié)省了材料。而且通過模擬結(jié)果分析，預(yù)測了零件的成形力，有效地保護(hù)了設(shè)備。實現(xiàn)了對生產(chǎn)的指導(dǎo)，大大縮短了工藝試驗的周期。
