載重汽車變速器輸入軸冷擠壓成形工藝參數(shù)分析

薛倩倩

重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院 重慶 401120

引言

作為傳動及轉(zhuǎn)向裝置的關鍵部件，花鍵軸在汽車及摩托車產(chǎn)業(yè)中的作用越來越重要。本文選用載重汽車變速器輸入軸花鍵為研究對象，借助DEFORM-3D模擬軟件對輸入軸花鍵開式冷擠壓進行有限元模擬，分析了坯料直徑、入模半角以及定徑帶長度對花鍵軸開式冷擠壓成形力及成形質(zhì)量的影響規(guī)律，為工藝參數(shù)的優(yōu)化和模具設計提供理論依據(jù)。

1 有限元模型的建立

對于某載重汽車變速器，其中矩形花鍵的成形是該零件冷擠壓成形的關鍵。由于此零件的十齒矩形花鍵是相對于中心軸完全對稱的，因此可以選取坯料及凹模的1/10（兩個半齒和一個齒槽）作為研究對象，以縮短計算時間。

模擬采用有限元仿真軟件DEFORM-3D[1-2]，模擬時視坯料為塑性變形體，凹模和凸模為剛體。模擬成形過程中，凹模固定不動，坯料在凸模的推動下成形矩形花鍵。而在輸入軸花鍵冷擠壓成形過程中，齒形變形主要集中在坯料表層，因此網(wǎng)格的劃分可以粗化圓心，細化表層，以提高計算速度[3-5]。

此輸入軸的材料為滲碳鋼20CrMnTi，屈服強度為835MPa。模擬分析在室溫下進行，不計擠壓過程中的溫度效應，給定凹模下壓速度v=20mm/s，采用剪切摩擦模型，在有潤滑條件下的冷塑性成形因子一般m=0.08[6]。模擬中采用一個參數(shù)變化，其他參數(shù)固定的方法，探尋各工藝參數(shù)對金屬成形力及成形質(zhì)量的影響規(guī)律。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 坯料直徑對金屬成形的影響

保持其他基本模擬參數(shù)不變，坯料直徑分別取48.6mm、49mm、49.4mm、49.8mm、50.2mm，對輸入軸花鍵開式冷擠壓成形過程進行數(shù)值模擬。

如圖1所示為不同坯料直徑下的成形力的變化趨勢圖，由圖可知，隨著坯料直徑的增加，成形力變化呈上升趨勢，當dp＞49.4mm時，成形力上升較快。

圖1 坯料直徑對成形力的影響

如圖2所示為不同坯料直徑下對應的等效應力分布圖。從圖中可以看出，當dp=49.8mm時，坯料在入模口處應力超過材料的屈服極限，出現(xiàn)金屬堆積現(xiàn)象。而當dp=48.6mm，金屬沒有很好地填充模具型腔，坯料與凹模大徑間存在較大的間隙。綜合上述分析，坯料直徑取49.4mm左右為宜。

圖2 應力分布圖

2.2 入模半角對金屬成形的影響

如圖3所示為入模半角對成形力的影響規(guī)律，由圖可知，隨著入模半角的增加，成形力呈上升的趨勢。

圖3 入模半角對成形力的影響

如圖4所示為α=35°和α=10°時的成形過程。由圖4（a）可知，當α=35°時，出現(xiàn)了鐓粗刮料現(xiàn)象，這是由于入模半角太大，過渡區(qū)縮短，金屬軸向流動困難，阻力增加，成形力增大，尚未變形段金屬的擠壓力也隨之變大；當其超過材料的屈服極限時，尚未變形段金屬會發(fā)生徑向流動，從而坯料出現(xiàn)金屬堆積甚至刮料等工藝缺陷。

當入模半角選取過小，坯料擠壓過程中與凹模型腔的接觸面積將變大，摩擦阻力也會增大。過大的接觸面積很可能導致坯料表面的磷化皂化膜被破壞，工件表面出現(xiàn)拉傷，同時極易使模具表面發(fā)生粘模，降低模具的使用壽命。同時當坯料直徑也較小時，會使凹模模具型腔與坯料之間出現(xiàn)較大縫隙，如圖4(b)所示。綜合以上分析，入模半角取15°～20°左右較合適。

圖4 不同入模角時的模擬結(jié)果

3 工藝實驗

該載重汽車輸入軸花鍵冷擠壓成形工藝試驗在型號為YJ32-400T的四柱液壓機上進行，分析優(yōu)化前、后的工藝參數(shù)，實驗前對坯料進行表面處理、潤滑。圖5為優(yōu)化前輸入軸花鍵成形時所出現(xiàn)的工藝缺陷的試驗結(jié)果圖，圖5（a）圖為入模半角α=40°、坯料直徑dp=50mm、有凹模約束時的試驗結(jié)果圖，此時出現(xiàn)了鐓粗失穩(wěn)；圖5（b）為坯料直徑dp=50mm、未受到凹模約束時的試驗結(jié)果圖，此時出現(xiàn)了彎曲失穩(wěn)。

圖5 工藝缺陷圖

優(yōu)化后試驗得到的輸入軸擠壓件圖和試驗所用模架圖如圖6所示，冷擠壓件花鍵鍵齒充填飽滿。由壓力機壓力表讀出成形力為1100～1120KN，小于模擬成形力1240KN，誤差約為10%。

圖6 輸入軸擠壓件圖及模架圖

對工藝試驗所得的輸入軸擠壓件進行花鍵前端檢測數(shù)據(jù)，經(jīng)檢測可以發(fā)現(xiàn)冷擠壓花鍵的尺寸精度達到了IT9級，表面粗糙度值Ra在0.8～1.6μm。

表1 花鍵前端檢測數(shù)據(jù)

由以上試驗結(jié)果可看出，輸入軸花鍵開式冷擠壓中合理的模具參數(shù)和工藝參數(shù)能有效地降低成形力，保證成形質(zhì)量，同時也驗證了數(shù)值模擬的正確性。試驗結(jié)果表明數(shù)值模擬結(jié)果對成形工藝方案的制定和模具結(jié)構(gòu)的設計有一定的指導意義。

4 結(jié)束語

成形力的大小隨著坯料直徑的增大而增大。當坯料直徑達到一定值后會發(fā)生鐓粗失穩(wěn)，甚至刮料現(xiàn)象。但是坯料直徑過小，會出現(xiàn)凹模大徑與坯料間出現(xiàn)較大空隙，使齒形填充不飽滿，從而影響成形質(zhì)量。以本文輸入軸花鍵為例，坯料直徑取49.5mm左右較合適。

成形力隨入模半角的增加而增加。入模半角越小，成形所需擠壓力就越小。但過小的入模角不僅影響花鍵的有效長度，還會影響花鍵齒形的成形質(zhì)量。以本文輸入軸花鍵為例，入模半角取15°～20°較合適。