前言：寻找写作灵感？中文期刊网用心挑选的谈双联齿轮塑性成形研究与模具设计，希望能为您的阅读和创作带来灵感，欢迎大家阅读并分享。
摘要:针对双联齿轮难度较大的塑性成形与脱模问题制定了较为合理的工艺方案，并在此基础上利用DE-FORM－3D软件对该方案进行了有限元模拟，取得了较好的成形效果，并通过冷挤压试验验证了这一点。在此基础上，对直齿成形和斜齿成形分别进行了模具设计。其中，双联齿轮斜齿部分的成形模具结构很好地解决了斜齿部分无法脱模的问题。
关键词:双联齿轮;冷挤压;直齿;斜齿;模具设计
冷挤压是一种净成形或近净成形的精密成形技术，相对于机加工，不仅节约了大量原材料，提高了生产效率，更有利于获得高强度、高抗疲劳性和高表面质量的零件［1－4］。本文将该技术引入到双联齿轮加工过程中，已解决其结构特殊、硬度要求强等加工难题。双联齿轮是很常见的一类零件，一般尺寸不大。通常在一个零件上有两个直齿，有时甚至一个是直齿，另一个是斜齿，使得加工难度很大。因此，常见的制造方法为先通过插齿滚齿等机械加工分别加工不同齿形部分，再通过“压合”或者“焊接”的方式组合在一起。在德国和日本等精密零件制造强国，已于21世纪初期实现了小型斜齿轮的精密塑性成形批量化生产。在国内，利用精密塑性成形对小型斜齿轮和双联齿轮进行批量化生产，远未达到较广的覆盖面。本文针对双联齿轮特殊的“直－斜双联”结构特点提出了一种成形方案，并在此基础上建立了有限元模型。通过模拟分析，找到了坯料在成形过程中的材料流动规律，进一步优化并最终确定了工艺方案，且进行了试验验证，为最终生产该类型零件提供了一定的技术支持和参考。
1零件特点分析
从该零件外形(如图1所示)分析，零件尺寸较小，由大小两个齿轮组成，大端为斜齿轮，小端为直齿轮。该零件的材料为20CrMnTi，鉴于双联齿的特殊结构与尺寸以及零件材料和较强的强度要求，初步分析认为应优先考虑冷挤压的成形方式。由于直齿与斜齿无法实现在一个挤压行程中既实现同时成形，还能保证正常出模，因此，直齿和斜齿部分必须分步成形。综上所述，该零件难点在于:(1)挤压件外表面与模具之间接触面积较大，外材料流动困难且齿顶和齿尖容易出现充填困难的情况。(2)直齿与斜齿的成形容易发生干涉。(3)斜齿部分脱模困难。冷挤压的成形方式可以让工件的精度、强度和其他力学性能得到很好的保证，因此综合多方的因素提出图2所示的成形方案。该方案是将棒料制作成环形坯料，然后进行镦挤，成形直齿部分，同时压出上部型腔，该型腔还可以确保周向材料的快速饱满的充填，然后进行斜齿正向挤压。最后通过机加工加工出上部圆柱形型腔。
2有限元模型的建立与挤压模拟
2．1有限元模型的构建
上述挤压方案是否可行，需要进一步进行验证，因此首先利用NX软件构建出坯料和凸凹模的模型，再将模型以STL格式导出到Deform软件，运用刚塑性有限元法对成形过程进行模拟。将坯料的网格总数设置为250000;材料选用AISI－5120(20℃～1200℃);模具设为刚性体，坯料和模具的初始温度均为室温20℃，每一步压下量为0．1mm。其他参数见表1。
2．2模拟结果分析
在模拟过程中发现，该方案在整个材料充填过程中，材料的流动合理，齿形饱满，且无任何折叠现象发生，模拟效果如图3所示。该方案优点在于工序简单，成形效果好，材料利用率高且成形载荷比较低。从图4a和4b可以看出，直齿成形较为顺利和容易，材料流动非常合理，因此从直齿刚成形时等效应力和等效应变的数值和分布情况就验证了这一点;从图4c和4d可以看出，在斜齿成形的后1/3时，等效应力较为集中，此时对模具的冲击力较大，在组合凹模的强度设计中应着重考虑该因素，而从等效应变分布图中反映出来的情况则较为良好，材料流动也是合理的。
3工艺试验
基于前文提出的挤压方案和有限元模拟分析，设计并加工了一套简化的试验装置图5a，用以验证工艺和模具结构设计的合理性，尤其可以验证材料的流动规律。在试验中，挤压件材料选用铅，凸凹模材料选用45钢。压力设备为可提供300kN力的WEW－300D型万能试验机。从图5b和图5c所示的挤压件可以看出，直齿成形效果较好，齿形饱满，充填迅速，材料流动合理;斜齿成形效果比直齿略差，仍有进一步的改进空间，但也基本实现了工艺方案的最初设想。
4模具设计
4．1直齿成形模具设计
经过挤压力的计算和有限元模拟的验证，直齿成形的载荷约为140kN。由于该载荷不大，所以考虑使用冷挤压常见通用模架(图6所示)进行设计。该模架具有结构简单，通用性强等特点。
4．2斜齿成形模具设计
经过有限元模拟的验证和优化设计，得知斜齿成形载荷约为15kN，由于成形力较小，既可以利用上述模架结构进行设计，也可以采用更为简单模具结构。在最核心的凸凹模结构设计上，考虑到斜齿无法脱模的难题，设计了结构［5］如图7所示，该结构可以有效地解决齿轮无法脱模的情况，并且后一个只成形了直齿部分的毛坯可以将前一个已成形斜齿的挤压件快速往下顶出而落下，省去了操作工人用手取回工件的这个动作，加工效率大幅提高。
5结语
根据双联齿的特殊结构与尺寸及材料等信息，分析认为应采用冷挤压的方式对直齿和斜齿部分分步成形，并提出了完整的工艺方案。通过对工艺方案的有限元模拟和分析，确定该方案符合材料流动规律，材料流动合理，且未发生严重缺陷，具有试验验证的可行性。经过试验验证了直齿和斜齿材料流动规律的合理性，基本达到了方案设计目标，为后续研究打下了坚实基础。在上述研究的基础上，设计了直齿的冷挤压模具结构，并提出了一种简单高效的模具结构，巧妙地解决了斜齿的脱模难题，避免了采用传统轴承式凹模进行斜齿脱模带来的多种问题。
作者：骆静 陈勇全 姜耀辞 张婧 杨松 何拥忠 单位：成都理工大学工程技术学院工程训练中心
