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重 慶 理 工 大 學(xué)
文 獻(xiàn) 翻 譯
二級(jí)學(xué)院 機(jī)械學(xué)院
班 級(jí) 機(jī)械5班
學(xué)生姓名 李雨菲 學(xué) 號(hào) 10904020510
長(zhǎng)梯形花鍵的冷擠壓及其成形分析
Yuan Anfu
收稿日期：2007.8.21，接受日期：2008.3.10，網(wǎng)上發(fā)表日期：2008.4.15
施普林格出版社倫敦有限公司2008年版權(quán)所有
摘要：由于剛度的原因，長(zhǎng)梯形花鍵的加工時(shí)十分困難的。在本文中，一種基于三維速度場(chǎng)的分析和對(duì)分析模擬軟件Deform-3D 5.0的應(yīng)用的特殊冷擠壓技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于加工一種合格的Φ12×840的16齒梯形花鍵上。
關(guān)鍵詞：冷擠壓，矩形花鍵，成形極限，變形
1. 介紹
由于矩形花鍵的根部很厚，故一般被應(yīng)用于傳遞較大載荷的場(chǎng)合。因此，它被廣泛應(yīng)用與汽車(chē)工業(yè)中力的傳遞。本文主要聚焦于一個(gè)機(jī)械工業(yè)中的難題——長(zhǎng)梯形花鍵的加工。傳統(tǒng)的機(jī)械加工手段，如銑、滾齒等由于其低下的效率和加工質(zhì)量而不能不能用于批量生產(chǎn)這種花鍵。所以一些特殊制造方法如扭轉(zhuǎn)、擠壓等已經(jīng)越來(lái)越被廣泛應(yīng)用。即便如此，正如圖1中看到的那樣，
對(duì)于長(zhǎng)梯形花鍵來(lái)說(shuō)，二者在成形 [1–7]部分的時(shí)候仍存在一些難題。
2. 成形的細(xì)節(jié)部分
圖1指的是將要被加工的長(zhǎng)梯形花鍵，其詳細(xì)信息如下：
齒數(shù)：16 齒厚：1.3 材料：20Cr（GB）
彈性模量：205Gpa 泊松比：0:29 密度：7850Kg/m3
屈服強(qiáng)度：685Mpa 齒頂圓直徑：Dt=12.8mm 齒根圓直徑：10.86mm
3. 解決步驟：對(duì)于制造出一個(gè)合格的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，存在兩個(gè)待解決的問(wèn)題：
3.1模腔的結(jié)構(gòu)：在擠壓的過(guò)程中，模腔的結(jié)構(gòu)直接影響變形的工件和應(yīng)力應(yīng)變分布。因此，有必要設(shè)計(jì)一種合理的模具結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)實(shí)際成形條件來(lái)獲得盡可能低的成形力?；趯?duì)擠壓過(guò)程中金屬流動(dòng)規(guī)律的研究，可以設(shè)計(jì)出一種較為合理的模具結(jié)構(gòu)。然后在相同實(shí)際條件下擠壓的情況用Deform軟件模擬。最后根據(jù)上述兩個(gè)結(jié)果制造出擠壓模具。
3.2成形部分的剛度：至于本文中細(xì)長(zhǎng)工件的成形，如何保證工件在冷擠壓過(guò)程中剛度足夠成為了一個(gè)壓倒性的問(wèn)題。所以，在實(shí)際擠壓的過(guò)程中，傳統(tǒng)的推壓力被改變?yōu)槔?，同時(shí)被特殊機(jī)構(gòu)支撐。上述這些技術(shù)被證明是行之有效的。
圖1
4. 擠壓分析
在本文中，所有的分析都是在開(kāi)模擠壓的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。
4.1花鍵軸的形狀函數(shù)
由于梯形曲線的對(duì)稱(chēng)性，只有一半的形狀繪制在圖2中。根據(jù)此梯形花鍵的工作原理，得到它的表面形狀函數(shù)如下：
（1）
其中，L為模具型腔工作區(qū)的有效長(zhǎng)度；Rb為基圓半徑；g(θ)的定義如下：
（2）
其中Rt為花鍵的齒頂圓半徑；Rr為花鍵的齒根圓半徑；SR(θ)為描述梯形花鍵的方程，如下：
（3）
其中，αk為花鍵的壓力角；θt當(dāng)花鍵頂圓是極半徑時(shí)為角。
圖2 圖3
4.2實(shí)際角度
根據(jù)梯形花鍵的實(shí)際尺寸，式子（1）（2）（3）可被轉(zhuǎn)化如下：
Φ1=5.83。 φ2=6.88。 φ3=12.3。
區(qū)域1： （4）
區(qū)域2： （5）
區(qū)域3： （6）
5. 擠壓仿真
本文中，應(yīng)用了Deform軟件模擬擠壓過(guò)程，從而得出上述結(jié)論。仿真環(huán)境與下述實(shí)際情況是相似的：
5.1仿真的目的
為了降低制造成本，節(jié)約時(shí)間和盡快獲得一個(gè)合格花鍵，在本文中，對(duì)擠壓的仿真已經(jīng)完成。所以，仿真的目的在于獲得基于工件在擠壓過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變光導(dǎo)角α（如圖5所示）。
5.2仿真環(huán)境
分析軟件：Deform-3D 5.0 分析模式：傳熱和形變
工件材料：AISI-1045（與Cr20類(lèi)似） 目數(shù)：70000
節(jié)點(diǎn)：14452↑ 元素：62766 分析步驟數(shù)：100
頂部和工件的摩擦系數(shù)：0.3 底部和工件的摩擦系數(shù)：0.08
5.3設(shè)置模型和仿真
仿真模型如圖5所示，該結(jié)構(gòu)底模為圖4。底模和頂模的直徑分別為Φ45和Φ25，厚度均為10mm。在這個(gè)模型中，底模和頂模都是剛性的，工件的材料為塑料。在擠壓過(guò)程中，頂模以0.1mm/s恒定的速度向下移動(dòng)。工件的直徑和長(zhǎng)度分別為Φ12.9和25mm。在相同的條件下，對(duì)三組角度不同底模進(jìn)行了仿真，分別為20°,25°和30°。
圖4 圖5
5.4仿真結(jié)果
步驟10的應(yīng)變分布和步驟24的應(yīng)力分布分別如圖6、7所示。其他的最大應(yīng)力和應(yīng)變?cè)谶@兩個(gè)步驟中的值在表1中列出。圖8是步驟82的仿真結(jié)果。
圖6
圖7
從上述這些結(jié)果可以得出以下幾個(gè)點(diǎn)：
（1） 不同導(dǎo)角的應(yīng)力差異不明顯，而不同導(dǎo)角的應(yīng)變差異明顯，而且最佳底模導(dǎo)角是25°。
（2） 通過(guò)擠壓點(diǎn)可以看出，當(dāng)導(dǎo)角為25°時(shí)最佳，而且在此角度下沒(méi)有出現(xiàn)“鍛壓損失”且工件的擠壓質(zhì)量最高（見(jiàn)圖8）。
圖8
6. 實(shí)際擠壓成型
結(jié)核和分析結(jié)果，我們以25°的導(dǎo)角打開(kāi)底模。實(shí)際加工條件如下：
擠壓機(jī)：特殊目的加工機(jī) 傳力介質(zhì)：高壓液壓油
油缸尺寸：Φ400×1000 工作壓力：15 Mpa
工件材料：20Cr 潤(rùn)滑：油潤(rùn)滑 速度：約1.4 mm/s
模具材料：燒結(jié)合金 負(fù)載模式下的擠壓力：拉而不是推
為了得到高質(zhì)量的產(chǎn)品，有一點(diǎn)值得注意的地方是：如何使工件在擠壓過(guò)程中保持穩(wěn)定。在該實(shí)驗(yàn)中，專(zhuān)用設(shè)備組裝的部分可以保持穩(wěn)定，且在擠壓過(guò)程中不變形。此外，導(dǎo)向精度也十分重要，否則擠壓力不能保持穩(wěn)定，工件表面可能還會(huì)出現(xiàn)裂紋（如圖9所示）。
圖9
7. 結(jié)論
基于其效率高、精度高的優(yōu)點(diǎn)，擠壓技術(shù)在制造業(yè)中越來(lái)越多的引起了人們的關(guān)注。擠壓也被稱(chēng)為無(wú)屑加工。尤其在某些部分的批量生產(chǎn)中擠壓成為唯一的成形方式。從本文中可以得出如下結(jié)論：
（1）上界分析是一種有用且有效的方法來(lái)計(jì)算在擠壓過(guò)程中所需的理論功率，而且只要建立的模型與實(shí)際生產(chǎn)條件形似，則分析結(jié)果是準(zhǔn)確的。
（2）在一些合適的軟件（如Deform）的幫助下，成型過(guò)程模擬已經(jīng)被廣泛應(yīng)用與日常生活中。根據(jù)仿真結(jié)果，在擠壓模具投入生產(chǎn)之前可以對(duì)一些結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行必要的調(diào)整或修改。
（3）關(guān)于細(xì)長(zhǎng)花鍵的成形，除了擠壓加工都要考慮的因素之外首先需要考慮的問(wèn)題是剛度和穩(wěn)定性，否則無(wú)法制造出合格的產(chǎn)品。
（4）CAE技術(shù)是個(gè)非常有用的工具，可以節(jié)省很多時(shí)間和成本。
（5）到目前為止，在測(cè)試期間，雖然存在一些問(wèn)題（如生產(chǎn)效率和找到最佳的擠壓技術(shù)），一個(gè)合格的產(chǎn)品是可以被加工出來(lái)的。