基于數值模擬的花鍵軸冷擠壓參數優化

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勢，利用DEFORM軟件對花鍵成型過程進行了模擬，結合模擬結論，給出了零件毛坯管料加工的直徑范圍。

關鍵詞：冷擠花鍵；數值模擬；脈沖擠壓；參數優化

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生塑性變形的加工方法，冷擠壓成形技術靠模具的形狀來控制金屬的流動方向，通過金屬的軸向或徑向流動來形成所需的零件。

與其他加工方式比較，冷擠壓成形工藝的主要優勢如下：

（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移，可以達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80%以上。

（2）提高勞動生產率：

冷擠壓在壓力機上完成，一次行程即可完成零件加工，效率比切削方式高近10倍。

（3）強度高：

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

（4）制件可獲得較高的表面粗糙度和尺寸精度

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

2有限元模型建立

圖1為車輛轉向空心軸產品，產品花鍵外徑為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生塑性變形，向未接觸模具的齒槽側流動，形成零件的齒頂。因零件存在缺齒，故周齒變形量有所不同，為有效對全齒和缺齒部位進行模擬，建立了缺齒+全齒的對稱模型，以保證仿真的準確性。

模擬采用DEFORM 3D軟件，零件為彈塑性體，采用局部網格細化，減少模擬時間。模具為剛性體，建立模型如圖2、圖3所示：

3零件擠壓強度校核

3.1擠壓力計算

根據等體積成形原理，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擠壓花鍵軸的穩定性

零件全長為L=263.54mm，外徑為D=φ22.4mm，內徑最小為d=φ16.4mm，為簡化計算，將其近似考慮為空心圓管，取E=210GPa。零件橫截面的慣性矩為：

帶入已知數據，得：P=262430.8N=262.4308kN

零件總擠壓力遠遠小于材料臨界壓力，在擠壓過程中不會因擠壓力而失穩。

4零件擠壓方式確定

我公司于2014年購入了德國FELSS花鍵冷擠壓設備，該設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，后續實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設計時，其理論體積中點直徑為φ15.20mm，考慮零件表面材料的橫向及縱向流動，分別取毛坯直徑模擬，為簡化模擬過程，采用一次擠壓完成零件加工，結果如表2所示：

從仿真結果看，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，后端余料均勻產品表面質量較好；φ15.4模具充型最為飽滿，尺寸已接近上限；φ15.6花鍵擠壓時，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對稱方式，擠壓力經驗公式未考慮缺齒對計算結果的影響，而仿真過程按照6顆缺齒計算又放大了擠壓力，所以理論計算結果和仿真結果均不能準確的體現真實的擠壓力，但二者均可作為真實擠壓力的參考值，用以指導擠壓參數選擇和模具壽命的計算，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控制在15.20-15.30mm。

6工藝驗證

根據理論計算及模擬分析，在FELSS的AXIMUS-H02設備進行了冷擠驗證，取0.02mm為一組，每組兩件；從15.24-15.32mm分別進行了冷擠試驗，如表3所示。

7結語

（1）采用DEFORM軟件，能夠很好的與實際情況對應，仿真結果能夠有效的指導實際生產。

（2）采用脈沖擠壓方式，能夠降低零件擠壓10-15%的擠壓力，對零件質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，根據花鍵體積中值要適當放大擠前尺寸。