齒輪冷擠壓成形影響因素模擬分析研究

姚國平，陳 磊

齒輪冷擠壓成形影響因素模擬分析研究

姚國平，陳 磊

齒輪是廣泛使用的機械傳動零件，冷擠壓是制造齒輪的方法之一。采用數值模擬方法分析了齒輪冷擠壓過程的影響因素。發現坯料選擇要考慮到沖壓力大小，結合零件形狀，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。沖頭含凸臺時，凸臺高度要小于凹模入口角高度，否則會導致內部空洞。凹模入口角盡量加大以減小受力。凹模中芯棒對沖頭受力影響很大，隨著直徑增加而增加。采用復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的切削量。

齒輪是廣泛使用的機械傳動零件，齒輪形狀復雜，加工及性能要求高。傳統的加工齒輪的方法采用機械加工，一般采用插齒或滾齒法，需要專業加工設備，加工速度慢，效率低。冷擠壓技術加工齒輪，能夠克服機械加工的很多缺點，加工速度快，一般幾秒鐘就可完成一個零件的擠壓，特別適合大批量生產，在機械零件，特別是汽車的零部件中得到了廣泛的應用。

在冷擠壓過程中，影響因素很多，如擠壓力、材料、模具、設備等，其中擠壓力是一個主要的指標。擠壓力大小直接影響著模具受力和模具壽命，在設計中是一個非常重要的問題。通過擠壓力分析，可以得到優化的模具結構與形狀。傳統分析擠壓力是通過一些經驗公式，然而對于一些復雜結構，很難準確進行計算。

隨著計算機技術和有限元理論的發展，數值模擬技術已經廣泛應用到成形模擬過程中，在模具設計、成形缺陷分析等方面發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。上凹模的作用是進行坯料導向，下凹模是成形模，包括入口部分、刃帶及型腔。

齒輪是一個包含多個參數的零件，通常有齒數、齒頂圓、齒根圓、模數等。本文分析齒輪參數為：齒數11、模數2.117、壓力角14.5°、齒頂圓29.6mm、齒根圓21.2mm、變位系數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。當坯料通過齒輪模具時，力全部作用在圖2中圓與齒輪線的相交的面積內，采用軟件計算得到面積：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。假設沖頭作用在坯料上的力F為400kN（40t），則作用在凹模上的壓強p近2000MPa。因而冷擠壓凹模受力非常大，優化模具結構與材料性能非常重要。

凹模入口角度?是一個非常重要的指標，根據公式p=Fcos?/ (Scos?)可得，當入口角度較大時，可大幅降低凹模所受的壓強。

圖1 齒輪模具示意

2. 數值模擬

（1）數值模型 齒輪數值模型如圖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，然后轉換為STL文件，導入到Deform模擬軟件中。模擬過程中，根據對稱性，采用一半或一個齒進行分析，這樣可以大幅節約時間。模擬過程中，凹模不動，沖頭以速度1mm/s向下運動。計算過程采用直接迭代法，采用剪切摩擦模型，摩擦因數假設為0.1，且在整個過程中保持不變。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。對大于齒頂圓直徑，采用30mm、35mm及40mm進行分析。模型中采用一半坯料。圖4顯示了不同直徑坯料的模擬結果。從圖中可看出，不同坯料齒形前端有部分充型不飽滿，經測量30mm坯料頭部有4.4mm圓角未充滿區域，35mm坯料有3.9mm，40mm有3.3mm。由于齒形前端還需要倒角和機加工端面，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。所需壓力機噸位也將增大，因而坯料不能過大。

對坯料為29mm和28mm的情況進行分析。模型中采用一個齒進行了分析。圖5顯示了模擬結果。成形過程中坯料在沖壓力的作用下，首先發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 數值模擬模型

圖4 不同坯料的模擬結果

圖5 不同坯料的模擬結果

圖6 帶孔坯料模擬模型

圖7 帶孔坯料模擬結果

由于齒輪中心有一個孔，因而可采用帶孔坯料進行擠壓成形。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。本部分對沖凸臺結構進行分析。模擬過程顯示，首先是凸臺進行擠壓孔成形過程，擠壓孔完成后，再把坯料擠入齒輪型腔。圖8a凸臺高度為6mm，圖8b凸臺高度為16mm，從圖中可看出，沖壓力穩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行擠壓孔的過程，沖壓力在逐步上升，運行距離與凸臺高度相同。在圖8b中，凸臺達到16mm時，由于凸臺孔已經進入到了齒輪型腔，因而在凸臺下面被拉長為一個孔洞，說明在沖頭加工凸臺的過程中，不能太高，否則坯料被拉長后，齒形不能完全符合模具形狀，會發生畸變。凸臺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部加入一個芯棒后對成形過程的影響。模擬

中只分析一個齒。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 帶凸臺沖頭的模擬結果

圖9 不同芯棒直徑對成形的影響

（5）復合擠壓 通過上下模形狀的優化設計，可對齒輪擠壓過程進行復合擠壓。從圖10可看出，復合擠壓過程集合了沖頭凸臺和凹模芯棒的特點，也是先擠壓凸臺，然后再進行擠壓齒形的過程。由于齒輪心部都有孔，因而采用復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計方法。

3. 典型零件試驗

對典型齒輪零件進行了冷擠壓試驗，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顯示了復合擠壓，材料節省，切削量小。

4. 結語

（1）坯料選擇要考慮到沖壓力大小，結合零件形狀，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）沖頭含凸臺時，凸臺高度要小于凹模入口角高度，否則會導致內部空洞。

圖10 復合擠壓過程

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。凹模中芯棒對沖頭受力影響很大，隨著直徑增加而增加。

（5）采用復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的切削量。

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鍛壓專業征稿啟事

《金屬加工（熱加工）》現面向廣大鍛壓工作者征集關于沖壓車間、沖壓優化及工藝、熱沖壓生產線、多工位沖壓及自動化；精鍛生產線、鍛造流程生產、零部件鍛造工藝、鍛造生產轉型升級；鈑金數字工廠、鈑金上下料矯平檢測、激光鈑金工藝、鈑金成形難點等策劃約稿，文章一經錄用，將在策劃期次及時發表。

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姚國平，康靈集團有限公司；陳磊，杭州電子科技大學機械設計研究所。