可拆装的齿形、异径齿形桩模具研究

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【摘要】：本文主要针对小齿轮件的花键和齿轮成形问题，以及直齿轮模具成型问题做出了工艺分析，并选取了3种不同的固定凹模柱塞模式和固定凹模约束分流模式等模具方案进行了分析，主要分析了在这几种不同的模具方案设计下，直齿轮模具成型效果以及物理性能，得出最佳的模具方案。

【关键词】：模具成型；小齿轮件；直齿轮；工艺设计

【分类号】：TG333.7

在直齿轮的形成过程中，由于直齿轮在使用过程中设计要求高，不能有丝毫的拔模斜度等，使得直齿轮在设计中存在很大的困难，小齿轮件由于要含有花键和齿轮，所以工艺设计有一定的难度，为节约成本，因此在小齿轮件的设计中，采用了冷挤压工艺方案，并从3种不同的工艺方案中，选取最佳设计方案。

1、工艺方案分析。

1.1、小齿轮工艺方案分析。

冷挤压技术是一个高效低耗的生产工艺技术，通常被用在零件加工成型中，在常温下由于小齿轮和花键形状比较复杂，精度要求比较高，且常温下金属变形小，流动性也是非常差，所制造的小齿轮易磨损，寿命短，因此使用冷加压技术来加工小齿轮件，所选取的小齿轮件材料是45号钢，零件一端是齿轮，另外一端为花键，齿轮数Z=8，模数m=1.5mm，整个齿形为渐开线齿廓，压力角为200，精度要求在IT6，因此成型工艺可以设计为：先对金属进行下料，然后进行挤压小端，挤出花键，进行镦粗，槽孔成型。由于皮料的形状以及尺寸等都会严重影响到模具的使用寿命，为方便送料，因此选取直径为12mm、长27mm的圆柱形坯料。

1.2、直齿轮工艺方案分析。

根据直齿轮的性能要求，分别选取了3种不同设计方案如下：（1）固定凹模柱塞锻造模式。采用齿轮冲挤―镦挤成形，先把坯料放入到凹模中，向下用力压，坯料就会在反向凸模的作用下发生变形，向上运动，在挤胀力的作用下，坯料向转动方向流动，进而形成齿形模具；（2）浮动凹模芯棒约束分流模式和（3）固定凹模芯棒约束分流模式。分别采用弹性连接和固定连接，这两种模式的区别在于齿轮形成时的摩擦力不同，在固定连接中成型的压力来自于冲击压力，而弹性连接齿轮成型的压力来自于坯料和凹模产生的摩擦力。

数值仿真模拟是金属塑性成形的一个常用的方法，此方法能够缩短设计时间，优化工艺条件，因此采取了数值仿真模拟来优化工艺方案。

2、模具设计以及数值模拟。

2.1、小齿轮模具设计。

2.1.1、小齿轮件的坯料处理手段。

所选用的小齿轮件加工材料是45号钢，由于硬度、强度以及抗变形能力等都比较大，因此在加工时，需要先对材料采取软化处理，来提高材料的塑形，因此采取退火处理，经处理后，材料的硬度为150～163HBS。由于冷挤压成型会让坯料发生很大的变形，为了增加坯料表面的度，还采用了磷化皂化处理，。

2.1.2、小齿轮件设计成型。

小齿轮的花键采用毛坯挤压一次成型，那么起关键性作用的便是凹模，因此需要增强凹模的强度来延长齿形模具的使用寿命，因此模具采用了二层组合凹模，其中下凹模的材料是Cr12MoV，硬度在59～62HRC，凹模套的材料是40Cr，硬度在38～40HRC，采用慢走丝线切割加工齿部来保证凹模的尺寸精度和表面粗糙度，然后再进行人工抛光，为避免材料在流动过程中摩擦力太大或是金属流动不均匀，工作带长度需要控制在2～4mm，齿形由下往上进行修磨，凹模的收口部分采取一定的圆角过度。在对小齿轮的齿形进行加工时采用范挤压成型法，然后再进行精加工成型，挤齿工作带长度采用全齿长来保证挤压强度，此时模具的表面粗糙度可以达到Ra0.8um，同时，为方便入模，坯件上入模的端部设计了一个45度的倒角，在凸凹模的入模口端设计了90度的入模锥度。

2.2、直齿轮设计数据模拟。

2.2.1、在对直齿轮加工时首先需要建立数值模拟条件，在坯料选用时，根据直齿轮加工的特点，坯料采用实心圆柱45号钢，以及圆环形45号钢。由于模具为刚性体，因此在成型过程中不考虑模具变形，摩擦方式采取的是剪切摩擦模型，考虑到热传导的作用，设定变形耦合模块来进行传热，坯料的温度设定为8000C，模具的温度设置为2500C，摩擦系数设置为0.1，采取四节点单元网络划分来节省成模时间。

2.2.2、在模拟设置完以后再进行模拟结果的对比，分析包括成型效果图、压力行程曲线以及等效应变图等，从成效效果来看三种不同的模式，齿轮件齿廓均是比较清晰，而且，齿轮齿廓上下充填效果都比较好，唯一不同的便是金属的流动方向。采用（1）固定凹模柱塞锻造模式的，其凸模的凸台先与坯料接触，随着下压力的增加，金属径向流动，而且比较均匀，齿轮两端成型效果都比较好；采用（3）固定凹模芯棒约束分流模式的，主要依靠镦挤和锻靠采取空心坯料成型，在刚开始镦挤时由于不可避免的摩擦力的出现，在挤入齿腔时会出现鼓形的现象，随着压力的增加，金属还会随着摩擦力的出现便流动的比较缓慢，但是顶部区域流动速度较快，所以在成型时齿形的上部成型比较早，在锻靠阶段，金属变形自由面小，因此会受到很大的成型压力，在成型时很容易出现纵向毛刺；而采用（2）浮动凹模芯棒约束分流模式，改善了接触面的摩擦现象，能够保证金属流动时与磨擦力方向相同，因此在成型时齿轮底部先于顶部成型。

图1 压力行程曲线

从物理性能来讲，通过测定了不同模式下的模具压力行程曲线（图1），发现浮动凹模分流模式所引起的成形压力最小，而且非常明显的分为三个阶段，第一阶段为变形阶段，时间比较短，毛坯处于自由镦粗状态；第二阶段是齿形被填充的阶段，持续时间在三个阶段中是最长的，此阶段坯料继续变形，所受成形压力慢慢加大；第三阶段是锻靠阶段，完成了齿轮的成型，所受成形压力短时间内大幅度增加。

三种模式的压力行程曲线在第一以及第二阶段没有什么太大的区别，只是在第三阶段，相对于固定凹模柱塞模而言，浮动凹模分流模式在成型时，由于改善了接触面的摩擦，所受成形压力大大地降低了约71%。

等效应变图是研究金属变形的一个重要依据，能够直接反映金属的变形量，具体来说变形量随着等效分布的增加而变大。固定凹模柱塞模在冲击过程中，凹模凹台是变形量比较大的地方，其他的部分变形量都不是很明显，浮动凹模流动结构在成型时，由于改善了摩擦力的出现，金属变量大的地方主要集中在加载点附近，其他地方变形较小，三种不同模型在充填后期由于金属运动比较剧烈，所以变形量普遍比较大，因此在加工时要重视齿根圆角处的磨损现象。

3、工艺设计实验结果分析。

从上面的实验结果分析可知，小齿轮件可以采用冷挤压法来进行加工，能够很好地挤出花键键齿和齿轮齿形，而且这种方法比较节约材料，很大程度的降低了生产成本，总体来说比较理想。为了尽可能的降低生产成本，通过三种方案成型结果的对比，采取的是最佳的实验方案也就是浮动凹模约束分流来加工直齿轮，在加工时圆环形的坯料是由机械加工而成的，显示在中频上加热温锻成型，成型的条件与上述工艺条件相同，所得直齿轮与模拟数据进行分析对比，发现所得直齿轮具有良好的工艺性，说明浮动凹模约束分流来加工直齿轮是一个可行性的方案。

【结束语】：

综上所述，本文主要介绍了在3种不同模具设计方案下，小齿轮件以及直齿轮的工艺设计，并发现冷挤压工艺方案适合于小齿轮件，降低了生产成本，在直齿轮的设计方案中，在实验条件下浮动凹模约束分流模式能有效地降低金属的变形力，具有可操作性。随着科技的进一步提高，新的技术将会被引入到齿轮的成型之中，而这些仍然需要更多地设计人员去研究。

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