（机械设计及理论专业论文）齿轮轴冷挤压数值模拟及模具优化设计.pdf

长春理工大学硕士学位论文原创性声明 i i ie i1i ii ii ll li i i i u l y 17 4 0 9 7 6 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，齿轮轴冷挤压数值模拟及模具优 化设计是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的 作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：笠链作者签名：2 、笔g 丛暨 ，长春理工大学学位论文版权使用授权书 i 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定 ，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n 日系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：逝迎年立月望日 齿轮轴是现代机械的重要部件，常采用冷挤压工艺进行生产，但生产过程中存在 一定的缺陷，实际生产中常使用“试错法 寻找最优工艺消除缺陷，费时又花费成本， 本文采用理论分析与数值模拟的研究方法，对齿轮轴的冷挤压成形进行了研究。 本文以大型非线性有限元软件d e f o r m 3 d 软件为分析平台，采用刚塑性有限元 理论，对齿轮轴的冷挤压过程进行数值模拟。文中分析了冷挤压成形过程中出现的主 要缺陷、金属流动规律和应力应变分布情况，揭示了齿轮轴成形中过程出现缺陷的主 要原因，从而确定了缺陷评价指标及成形质量的主要影响因素。利用对比的方法对各 个因素进行了全面系统的研究，确定了最佳挤压速度和模具参数。确定了最终成形工 艺，进行了数值模拟，对其成形过程、毛坯质量和模具成形力进行了评价分析。本文 给出的成形工艺及相关参数对于齿轮轴的冷挤压成形技术具有参考价值。 关键词：齿轮轴冷挤压数值模拟 a b s t r a c t g e a rs h a f ti sa l li m p o r t a n tc o m p o n e n t o fm o d e mm a c h i n e r y , o f t e np r o d u c eb y c o l d e x t r u s i o np r o c e s s ，b u ti nt h i sp r o d u c t i o np r o c e s s ，t h e r ea r es o m ed e f i c i e n c i e si nt h e a c t u a lp r o d u c t i o nf r e q u e n t l y , s ou s e ”t r yo u tm e t h o d ”t of i n dt h eo p t i m a lp r o c e s st o e l i m i n a t ed e f e c t sw h i c hs p e n dm u c ht i m ea n dc o s t , t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o nr e s e a r c hm e t h o d sa r ec o m b i n e du s e dt os t u d yt h ec o l de x t r u s i o no fg e a rs h a f ti n t h i sp a p e r i nt h i sp a p e r , l a r g e s c a l en o n 1 i n e a rf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ed e f o r m - 3 dw h i c hi sb a s e t o r i g i d p l a s t i c f i n i t ee l e m e n tt h e o r yi su s e dt oa n a l y s i st h eg e a rs h a f tp r o c e s so fc o l d e x t r u s i o n t h i sp a p e ra n a l y s i st h em a i nd e f e c t sa n dd e f o r m a t i o nd i s t r i b u t i o nl a ww h e nt h e m e t a lf l o wi nt h ep r o c e s so f c o l de x t r u s i o n , t h em a i nr e a s o ni sr e v e a l e da f t e rt h eg e a rs h 世 f o r m i n g a n dt h e nd e t e r m i n et h eq u a l i t yo fe v a l u a t i o ni n d e xo ff o r m i n gd e f e c ta n dt h em a i n f a c t o r si nt h i sp r o g r e s s t oc o m p a r et ov a r i o u sf a c t o r sc o m p r e h e n s i v e l ya n ds y s t e m a t i c a l l y , a n dd e t e r m i n et h eo p t i m a lp a r a m e t e r so fe x t r u s i o ns p e e da n dd i e t h e 伽a lf o r m i n gp r o c e s s i sd e f i n e db yt h i ss t u d y s t a r tt on u m e r i c a ls i m u l a t i o ni t sf o r m i n gp r o c e s s ，a n a l y s i st h e f o r m i n gq u a l i t ya n dt h ef o r m i n gf o r c e i nt h i sp a p e r , t h ef o r m i n gp r o c e s sa n dr e l a t e d p a r a m e t e r sf o rt h eg e a rs h a f to f t h ec o l de x t r u s i o nt e c h n o l o g yh a st h er e f e r e n c ev a l u e k e y w o r d s ：g e a rs h a f t c o l de x t r u s i o n n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 目录 摘要 a b s t r a c t 目录 第一章绪论1 1 1 弓i 言1 1 2 冷锻技术国内外发展状况和未来趋势1 1 2 1 冷锻技术国内外发展状况1 1 2 2 冷锻技术的未来发展趋势3 1 3c a e 在锻造技术中的应用4 1 4 本文研究的主要内容4 第二章齿轮轴冷挤压工艺研究。6 2 1 齿轮轴加工工艺6 2 1 1 齿轮轴传统加工工艺6 2 1 2 齿轮轴的锻造技术7 2 2 冷挤压工艺技术8 2 2 1 冷挤压的类型8 2 2 2 冷挤压的优点9 2 2 3 冷挤压的缺点1 0 2 2 4 冷挤压工艺的应用范围1 1 2 3 齿轮轴冷挤压工艺目前存在的问题1 l 2 4 齿轮轴冷挤压工艺方案研究。1 2 2 4 1 齿轮轴冷挤压工艺分析。1 2 2 4 2 影响挤压件成形精度的主要原因1 3 2 4 3 冷挤压方案确定15 2 5 本章小结1 5 第三章齿轮轴冷挤压模具设计1 6 3 1 齿轮轴冷挤压锻件图设计1 6 3 2 毛坯的制备及处理1 7 3 2 1 毛坯尺寸的计算1 7 3 2 2 毛坯的软化热处理1 8 3 2 3 坯料的润滑和表面处理1 9 3 2 4 冷挤压力的估算及压力机选择2 0 3 3 凸、凹模的设计。2 l 3 3 1 冷挤压模具的结构及特点2 l 3 3 2 正挤压凸模和组合凹模的设计2 l 3 3 4 模具材料的选择2 5 3 4 模具的整体结构2 6 3 5 本章小结。2 7 第四章齿轮轴冷挤压过程数值模拟2 8 4 1 数值模拟理论2 8 4 1 1 刚塑性有限元法基本理论2 8 4 1 2 刚塑性有限元法原理及列式一2 9 4 2d e f o r m 3 d 软件的应用31 4 3 齿轮轴d e f o r m 数值模拟的实现3 2 4 4 齿轮轴挤压成形缺陷及质量评价3 4 4 4 1 齿轮轴成形缺陷3 4 4 4 2 成形质量评价3 6 4 5 齿轮轴挤压成形影响因素及其规律研究。3 7 4 5 1 模具形状和尺寸对齿轮轴成形质量的影响。3 7 4 5 2 毛坯形状及尺寸对成形质量的影响3 8 4 5 3 挤压速度对成形质量的影响3 8 4 6 最优方案的确定3 9 4 6 1 成形过程应力场分析4 0 4 6 2 成形过程应变场分析。4 2 4 6 3 成形过程中速度场分析4 4 4 6 4 成形过程中温度场分析4 6 4 7 最终方案的数值模拟分析。4 8 4 8 本章小结5 0 第五章总结与展望5 1 致谢5 2 参考文献5 3 1 1 引言 第一章绪论弟一旱殖记 随着我国制造业特别是机械制造业的发展，节约能源、节约材料、提高资源利用 效率，已经成为能否在国际市场竞争中立足的重要衡量标准之一。冷锻技术以它绝对 的优势得到了高度重视，近3 0 年来，冷锻技术在国外也得到快速发展。优质、高效、 少无切削的新型成形技术己成为新型工业的主要要求。 冷锻，又叫冷体积成形，作为一种制造工艺和生产技术，得到了国内外广泛的应 用，冷锻变形理论的研究也得到了重要的发展，它建立在新材料、新能源、信息技术、 自动化技术等多学科高新技术成果的基础上，改造了传统的毛坯成形技术，使之由粗 糙成形变为优质、高效、高精度、轻量化、低成本、无公害的成形。它使得成形的机 械构件具有精确的外形、高的尺寸精度、形位精度和良好的表面粗糙度 1 - 3 1 。 世界发达国家的发展历史给我们的启示是：一个国家的经济发展过程很大程度上 取决于工业化技术水平，冷锻技术的应用给工业化带来了显著的经济效益，大大提高 了生产技术水平。越来越多的冷锻件运用到轿车、摩托车和精密机械上，这不仅促进 了冷锻技术的发展，也使得工业化水平达到了新的高度。例如，花键、齿轮、轮套、 连杆、曲轴等零件都可冷锻成形。虽然我国是一个锻件生产大国，总产量居世界前三 位，但是我国汽车水平锻件的比例和产量远低于日本和欧洲。这主要是由于我国冷锻 技术与国际还有一定的差距，表现在锻压设备的精密化、自动化方面，与发达国家相 比还存在着很大的差距，未来几十年我国的汽车行业、机械制造业还有相当大的发展 空间，这就需要大力发展节能、省材、高效、低成本的绿色锻造业【4 j 【5 j 。 1 2 冷锻技术国内外发展状况和未来趋势 1 2 1 冷锻技术国内外发展状况 最近几十年里，冷锻技术的发展更加迅速。从1 9 6 3 年国际上成立了冷锻协会 i c f g ( 即i n t e r n a t i o n a lc o l df o r g i n gg r o u p ) ，开始，很多国家( 包括中国) 也陆续成立了 相应的协会和学会。这对冷锻学术界的交流以及加强学术届与工业界的联系起到了重 要的作用。 2 0 世纪五十年代，日本的冷锻技术有了初期的发展，但当时主要依靠从国外近口 相关论文和专利技术，由技术专家介绍到日本，他们首先把冷锻技术用在了自行车零 件的制造上，后来由逐渐进入摩托车、纺织机械及相关的工具生产行业。从6 0 年代开 始，冷锻技术进入汽车行业，并得到了飞速的发展，日本的技术水平和工业产品质量 的倒了质的飞跃，进入7 0 代以后，日本已经在冷锻技术上深得实惠，逐渐加大了在理 论方面的研究，并且开始了更广阔的发展时期，在模具设计和模具强度分析上做了深 入研究，提高了模具的寿命，同时借助计算机技术和激光技术使得冷锻技术更走向了 高科技化，8 0 年代以来，日本致力于冷锻技术在高精度，复杂形状零件加工方面的应 用和研究，并取得重要成果。 近半个世纪以来，欧美各国的冷锻技术得到持续不断的发展，冷锻在汽车工业， 标准紧固件行业的应用更为显著。在美国，1 9 6 5 年冷锻件总产量中汽车零件占8 0 以 上，法国也占7 0 0 o , - - 8 0 。在1 9 8 0 年前，每年用于冷锻的钢材，美国为1 1 5 万吨，前 西德1 0 万吨，日本4 0 万吨。又如，2 0 世纪末，轿车中冷锻件的使用量，日本平均4 2 k g 台。美国，德国等国家也接近4 0 k g 台，而我国为4 - - 5 k g 台。 目前，冷锻件的形状类 型已达1 0 0 0 多种；2 0 世纪8 0 年代后期，国外冷锻零件质量最少2 9 ，最大达3 5 k g ：冷 锻材料由铝、铜、及其合金、软钢逐步发展到中碳钢，低、中碳合金钢及不锈钢、高 速钢等；冷锻件的表面粗糙度为r a 6 - - - 8 u m ；冷锻件的尺寸精度达到相当的高的水平， 下图为国外汽车上用的高精度冷锻件1 6 】【7 】。图1 1 为国外冷锻生产的典型零件。 图1 1 国外冷锻生产的典型零件 我国古代的冷锻技术最早要追溯到夏商时期了，那时中国已经出现了冷锻加工的 紫铜刀、凿。从公元前1 1 世纪到公元2 世纪，随着金属材料的更多运用，出现了各种 各样的冷锻工具和武器，而且更令中国人惊叹和自豪的是，公元1 1 世纪，中国提出了 锻造史上最早的“冷锻变形量控制，也就是说我国是最早创立金属塑性学说的国家瞵j 。 但我国现代冷锻技术起步发展比外国要慢，比日本也晚了近1 0 年，我国于2 0 世 纪5 0 年代初开始从国外引进了冷锻技术和冷镦机，进行黑色冷镦并开始挤压成型一些 铝，铜及其合金零件，黑色金的冷挤压技术起步于1 9 5 8 年，由阮雪榆教授作了开创性 的研究和应用，经过近十年发展，在拖拉机，轻工，机械，仪器仪表以及电子元件等 行业得到了较广泛的应用，铜铝以及其合金的冷锻加工技术更加成熟，从2 0 世纪7 年 代后期起，奥氏体不锈钢，轴承钢等材料的冷锻加工已崭露头角，并成功的实现了如 斜齿轮，斜花键类等零件的冷锻加工。2 0 世纪8 0 年代后期，中国应用冷锻技术加工挤 压的最大零件为1 4 k g ，最小o 2 3 k g ，后来又出现了比这还轻的冷镦件 1 2 】。目前，我 2 国冷锻加工零件的材料有铝及铝合金，铜及其合金、银、镍、镁、锌、镉合金、可伐 合金等非铁金属，铁金属中除碳铜、合金结构钢、轴承钢之外，还有若干品种的高速 钢。如图1 2 所示为国内生产的部分冷锻件。 1 2 2 冷锻技术的未来发展趋势 7 、 矿翟獭y ”p 二”渺锑嬲嘲 图1 2 国内生产的部分冷锻件 进入2 1 世纪以来，在冷锻技术的生产应用和理论研究方面，我国正在继续追赶世 界先进水平，并且有了自己的特点。一些生产企业，尤其是一些汽车零部件生产厂家， 或在积极应用冷锻加工发展汽车零件中的冷锻件，或在采用静液挤压，精冲与冷锻相 结合等新工艺，或在应用计算机辅助冷锻工艺和模具设计等新技术，且均已有了令人 鼓舞的进展。我国的江苏省是冷锻技术比较发达的地区。如江苏大丰森威集团公司， 江苏太平洋精密锻造公司等企业，他们生产的产品和工艺技术，近年来取得了不少很 有意义的成果，代表着我国冷锻技术的技术高度，如果能够有效的克服推广和应用冷 锻技术中目前尚面临的若干困难，中国冷锻技术的理论与实践一定会有更大的发展u 引。 2 0 0 3 年，联合国科教文组织的“产学研结合计划”在中国设立了“冷锻技术讲席 ， 联合国这一举动，既说明了冷锻技术的极端重要，又预示着冷锻技术的美好前途。冷 锻技术的发展主要在两大领域，一个就是批量生产的零部件，比如摩托车、汽车领域。 另一个就是飞机航空上用的结构复杂的零件和材料切削困难的零件。冷锻成形的发展 必将部分取代甚至完全取代切削加工，他发展的总体趋势是，产品复杂化，精密化和 高质量化，还有工艺设计的数字模拟一体化。我们相信，在未来的各个工业领域，冷 挤压技术将会得到更广泛的发展和应用。 预计冷挤压未来发展方向为以下几点： ( 1 ) 扩大冷挤压的应用范围，在一定范围内逐步代替铸造、锻造、拉深、旋压、 摆辗及切削加工； ( 2 ) 除了有色金属及黑色金属以外，使冷挤压材料的范围扩大； ( 3 ) 在满足许用范围合理的前提下，提高冷挤压工序的变形量； ( 4 ) 使冷挤压可以加工形状更复杂外形不对称的零件； ( 5 ) 使冷挤压模具的使用寿命进一步延长； 3 ( 6 ) 提高冷挤压工艺的生产率； ( 7 ) 扩大冷挤压工艺在小批量产品生产中的使用； ( 8 ) 使冷挤压技术向先进的智能化、敏捷化与数字化等现代化生产方向发展迈进。 1 3c a f 在锻造技术中的应用 c a e 即c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ，他主要指用计算机对工程和产品进行性能与 安全可靠性分析，对其未来的工作状态和运行行为进行模拟，及早发现设计缺陷，并 证实未来工程、产品功能和性能的可用性与可靠性。c a e 软件是迅速发展中的计算力学、 计算数学、相关的工程科学、工程管理学与现代计算技术相结合，而形成的一种综合 性、知识密集型信息产品。可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的 复杂问题。 目前c a e 在锻造技术中的应用越来越广泛，由于锻造过程及其复杂，锻造中涉及 温度的变化，模具的设计和寿命问题，材料的成形情况和利用率问题，尤其在预成形 锻造时，材料进行了重新分配，预成形后的材料尺寸和形状对后续加工都有很大的影 响，锻造中可能产生各种缺陷，而这种成形缺陷是不可逆的，要经过反复的试验和计 算，才能逐渐改善锻造成形情况，这不仅影响了产品质量，降低了生产率，而且给企 业造成了很多经济损失。如今，市场竞争越来越激烈，锻件产品的精度和质量要求越 来越高，传统的锻造技术已经满足不企业飞速发展的强烈要求，由于计算机的发c a e 技术的出现解决了这一问题，到8 0 年代中期，c a e 软件在实用性、可靠性和计算效率 上已经基本成熟。近十多年c a e 软件逐渐商品化发展，理论和算法趋于成熟，为航空、 机械、土木结构等领域工程和产品结构分析做了重要贡献，国内外出现了很多软件， 其功能和形式大体上都是分为前处理功能，实现与c a d 设计软件进行数据转换，使设 计软件如p r o e 、s o l i d w o r k s 、u g 等实现有效的集成；基于有限元理论的数据模拟模块， 一般具有强大的数据处理功能；后处理模块，友好的界面更方便的进行成形过程的分 析和数据分析，使锻造工艺设计的缺陷，更及时的发现，更方便的处理和优化，提高 锻造生产率，缩短产品开发的周期，降低成本。其中美国的d e f o r m 软件是一款专门针 对金属塑性成形模拟的非线性大型集成软件，在锻造业中得到了广泛的应用，多年的 应用实际说明，d e f o r m 软件不仅计算效率非常高，而且在金属成形过程中的应力、 应变、金属的流动情况和模具的弹性变形和载荷分布等参数和实际生产的数据有相当 高的相似度，这也说明d e f o r m 的模拟计算非常准确，实用性高，对工程实践也有很 大的指导价值1 1 4 】1 1 5 j 。 1 4 本文研究的主要内容 齿轮轴零件，是机械传动中的重要部件，把齿轮和轴承的传动联接起来，承担着 4 重要的角色。传统的齿轮轴的成形方式是采用齿端切削加工，这种加工方法生产工艺 比较复杂，不仅效率较低，成本较高，破坏了金属的全纤维性，降低了材料的使用性 能。采用冷挤压成形工艺后，该件制造工艺简单，生产率明显提高，齿轮轴强度增加， 并且尽可能的避免了原材料的浪费。本文对齿轴的冷挤成形的研究工作主要有以下内 容： ( 1 ) 根据己定齿轮轴的产品零件图制定锻件图( 齿轮轴材料为4 5 钢) 。它是编制 成形工艺、设计齿轮轴模具、检验冷挤压件形状、尺寸的重要依据。 ( 2 ) 对齿轮轴的冷挤压工艺进行研究。结合齿轮轴冷挤压技术的特点和目前存在 的问题，分析影响挤压件精度的主要因素，制定齿轮轴的冷挤压方案。 ( 3 ) 设计齿轮轴的冷挤压模具。根据冷挤压模具的特点，确定挤压力，选择合适 的挤压设备，根据齿轮轴的技术要求合理设计凹模、凸模，以保证冷挤压的顺利进行。 ( 4 ) 成形过程数值模拟，用d e f o r m 3 d 软件进行齿轮轴冷挤压过程的数值模拟， 对不同工艺参数下模拟成形的结果进行分析，预测成形过程中可能出现的折叠及充不 满等缺陷，优化成形参数，确定最优模具结构，为齿轮轴冷挤压模具设计提供理论指 导。 第二章齿轮轴冷挤压工艺研究 2 1 齿轮轴加工工艺 2 1 1 齿轮轴传统加工工艺 齿轮轴的加工大体分成两个大组成部分，一是轴部分的加工，二就是齿轮部分的 加工。传统的齿轮轴加工，轴部分一般都采用车削加工方法，车削加工对于台阶轴来 说，材料利用率非常低，加工费时费力，产品的质量精度不能达到很高的水平，加工 完台阶轴部分之后要进行齿轮部分的加工，因为齿轮的加工工艺难，质量精度低很可 能使前面的台阶轴部分的加工前功尽弃，对于齿轮部分的加工种类很多，常见的齿轮 加工方法有两大类：成型法和展成法。 成型法是直接使用齿轮成型铣刀将齿谷铣出，优点是在铣床上就能获得齿轮，缺点 是由于设备受限制，为了减少刀具的数量而将齿数分段，在一段齿数内用一把刀，从 而齿型会产生系统误差。 ( a ) 圆盘铣刀 图2 1 成型法加工齿轮 ( b ) 指状铣刀 展成法也叫范成法是利用刀具和齿轮形成展成运动，来加工齿轮。主要有插齿和 滚齿，如图2 2 是两种插齿的加工方法，插齿是用模拟两个齿轮啮合来加工的，插齿的 刀具就是一个铲背了的齿轮，齿形是渐开线精度比较高，因为只能间断的切割，所以 生产效率低而且刀具加工困难。滚齿是模拟蜗杆齿轮啮合来加工的，如图2 3 用的比较 多，因为滚齿的滚刀的齿形是直线的，加工较容易，而且插齿能用在一些滚齿不能加 工的位置上，如内齿和退刀距离过短的双联或多连齿轮。在齿轮的精加工有剃齿和磨 齿。同样是展成法，剃齿的优点是效率高但不能用于硬齿面。磨齿则相反效率低只能 6 加工软齿面。 ( a ) 用齿轮插刀进行加工 ( b ) 用齿形插刀进行齿轮加工 图2 2 插齿加工齿轮 2 1 2 齿轮轴的锻造技术 图2 3 滚刀加工齿轮 在齿轮轴加工工艺的研究中，锻造技术近年来成为很流行的研究课题，如锻造中 的热锻、温挤压、冷挤压等，由于热锻件的精度等级较温挤和冷挤压低，一般等级在 i t l 2 。1 6 ，而且表面粗糙度和温挤、冷挤更是无法相比，在热锻过程中，由于坯料和模 具都要进行预热，所以工作环境极其恶劣，锻件氧化比较严重，模具的寿命也大大降 低，所以热锻比较适用与中小批量的生产体积、尺寸比较大，对精度要求不太高的零 件。对于齿轮轴温挤技术，合肥工大的研究生曾经做了专门研究，对温挤压成形进行 了数值模拟，对工艺参数也进行了优化，主要对成形过程，速度场、温度场、应力、 应变进行了分析，得出了相关结论，但是对温挤成形的模具结构设计和相关问题并没 有做出详细的研究，对于冷挤压的研究，业内主要关注的是影响金属成型的主要因素， 比如，毛坯的高径比、材料的变形程度、模具结构等的影响，另外冷挤压中尤其要考 虑润滑条件，摩擦系数和挤压速度对挤压成形的影响。因为这些因素直接影响挤压件 的质量和精度，为了更好的突出冷挤压的优势，人们致力于从这里突破冷挤压技术的 难点，使这种高效、节约、绿色的锻造技术发扬光大，为制造业造福。从齿轮加工工 业的发展现状可以看出，国外的齿轮加工技术正在飞速的发展，并且还有很大的上升 空见，而且这种势头也表现在国内的发展，但是传统的加工总是避免不了各种弊端， 表现在工业上齿轮出现的各种失效形式。本文将要研究目前齿轮加工的新工艺，绿色、 7 环保、高效的齿轮轴加工技术，即冷挤压技术。 2 2 冷挤压工艺技术 齿轮轴冷挤压，又被称为冷体积成形，是在冷态下条件的锻造加工，或者说在室 温条件下，是通过设备施给的动力，轴向压缩金属坯料，使之从冲头或凹模的行腔孔 或构成的空隙中挤压成形的一种冷锻加工方法。需要指出的是这里的“室温 或“冷 态 只是习惯上的说法，是对应热锻必须把坯料加热然后进行锻造而言的。这里的冷 态实际上是指金属再结晶温度以下，因此严格的讲，冷锻是指在金属再结晶温度以下 进行的各种体积成形。再者，冷锻是一个总的名称，按分类学理论中类目之间的等级 关系应为上位类，他应该包括镦锻、挤压、模锻、压印等工序，本论文主要研究的是 冷挤压技术在齿轮轴成形上的应用，所以不再做其他赘述。 2 2 1 冷挤压的类型 从不同的角度、按照不同的特征， 压力方向的关系来分，冷挤压可分为： ( 1 ) 正挤压 冷挤压有不同的分类，按照技术被挤出方向与 正挤压；反挤压；复合挤压【1 6 1 。 金属流动方向与凸模的运动方向形同，称正挤压。如图2 4 、2 5 为正挤压工件的 情形，冲头运动的方向即为加工方向，加工时，将毛坯放入凹模内，凸模向下运动挤 压毛坯，凸模的压力使金属进入塑性变形状态，使金属的截面积发生了改变，从凹模 的孔中流出，从而获得所需形状的挤压件。 ( a ) 毛坯 ( b ) 挤压示意图 图2 4 正挤实心件 8 b ) ( a ) 毛坯( b ) 挤压示意图图 图2 5 正挤空心件 ( 2 ) 反挤压 金属的流动方向与凸模的运动方向相反，称为反挤压。图2 6 所示为反挤压 空心杯件的过程，挤压时把毛坯或工件放在凹模底部，当向下挤压凸模时，金属 沿着凸模与凹模的间隙向上流动，最后形成所需的空心杯形零件。 b ) ( a ) 毛坯( b ) 挤压示意图 图2 6 反挤杯形件 b ) ( a ) 毛坯( b ) 挤压示意图 图2 7 复合挤压 ( 3 ) 复合挤压 挤压时，毛坯一部分金属流动方向与凸模的运动方向相同，另一部分金属流 动方向与凸模运动方向相反，如图2 7 所示，即在挤压的过程中，金属沿轴向有 两个以上的通道进行流动。复合挤压方法可以制造杯一一杆、杯一一杯、杆 杆等零件。 冷挤压技术，在近二三十年国内外冷锻技术发展中，成为最活跃的研究焦点， 取得了相当多的成果。这与冷挤压技术的特点和工程上的优越性是密不可分的。 随着现代计算机、快速造型及数字化等学科的迅速发展及应用，冷挤压工艺进一 步得到开拓及采用。与其他制造方法相比，冷挤压工艺己成为金属塑性变形中最 先进的工艺之一，在技术上和经济上它都有很多的显著优点。 2 2 2 冷挤压的优点 ( 1 ) 显著降低原材料的消耗 冷挤压变形是依靠金属的塑性变形，使其在体积不变的原则下，挤压成形所 需要的产品，达到要求的尺寸形状，是一种材料的塑性转移，所以比起车削加工 节省了很多金属材料，避免了大量废屑的产生。节约了很多有色金属和昂贵金属 的原材料。 ( 2 ) 提高劳动生产率 冷挤压零件是在压力机上进行的，操作方便，容易掌握，生产率很高。在大 9 圈j 批量生产上，更突出了这一优点。 ( 3 ) 可加工复杂形状的零件 在压力机的往复直线动作下完成复杂的加工工序，并可以制成形状复杂的零 件。 ( 4 ) 提高零件的力学性能 采用切削加工成形，其内部的纤维组织往往被隔断，从而减低零件的使用寿 命，在冷挤压过程中，金属材料在三向压力状态下进行塑性成形，成形后的材料 组织，纤维流向连续，同时，由于冷挤压材料产生了加工硬化特性，使冷挤压件 的强度大为提高，从而提供了用低强度钢代替高强度钢的可能性。 ( 5 ) 可获得较高尺寸精度及较小表面粗糙度值的零件 经冷挤压成形零件的表面质量是十分良好的。在冷挤压过程中，金属表面在 高压下受到模具光滑表面的熨平，因此零件的表面粗糙度值很小，表面强度也大 为提高。冷挤压零件的精度可达i t 7 i t 8 级，表面粗糙度可达r a 0 2 1 6 【1 7 】。 对于某些铝质零件，挤压成品的精度有时和半抛光工艺差不多，因此，用冷挤压 加工的零件一般很少再切削加工，只需在精度要求特别高的地方进行精磨。冷挤 压工艺可以获得理想的制件表面粗糙度与尺寸精度，有些零件经挤压后可以不再 进行切削加工，从而为采用冷挤压加工代替某些零件的锻造、铸造与切削加工开 辟了一条广阔的道路。 ( 6 ) 减少工序，缩短生产周期 冷挤压工艺在闭式模具型腔中进行，金属塑性变形过程中挤压件不产生飞 边，故不再需要切边、冲孔等后续工序，从而缩短了生产周期。 ( 7 ) 减少设备投资 冷挤压工艺生产的零件不易产生飞边，所以省去了切边压力机等设备，明显 的减少了设备的投资，另外，冷挤压生产加工比较灵活，可以在专用的冷挤压压 力机上，也可以在通用液压机上进行，还可以在非专门为冷挤压而设计的普通压 力机上进行。 ( 8 ) 扩大了塑性变形材料的范围 由于挤压时金属受力，塑性变形程度增加，使得很多材料都可以进行冷挤压 加工，在很多领域里，冷挤压已经逐渐代替了车削加工等其他锻造方法。 2 2 3 冷挤压的缺点 在长期的生产实践中，与其他制造工艺相比，冷挤压虽然表现出很多优点， 但往往还存在一定的问题。 ( 1 ) 变形抗力高 冷挤压时，工件工作温度在毛坯材料再结晶温度以下，被挤压材料的变形抗 1 0 力较高，例如钢的冷挤压，其变形抗力高达2 0 0 0 m p a 以上。这样的超高压力， 对模具的材料类型和结构以及加工制造提出了更高的要求。 ( 2 ) 模具寿命短 冷挤压模具承受的单位挤压力很大，最高可达到3 0 0 0 m p a ，所以模具磨损 严重，容易损坏，目前在模具材料的选择和模具结构相应得到了很高的重视，为 提高模具寿命也采取了很多措施，但与其他模具相比，冷挤压的使用寿命还不是 很高。 ( 3 ) 对毛坯的要求较高 冷挤压加工时对毛坯的要求比其他金属塑性成形加工工艺要高，如果金属变 形抗力太大会使模具损坏。对于冷挤压毛坯，除了要求具有准确的尺寸形状精度 外，在冷挤压变形之前还必须对毛坯进行一定的软化退火处理和表面润滑处理。 ( 4 ) 对冷挤压设备要求较高 由于冷挤压变形力抗力比较大，单位挤压力达到毛坯材强度料极限的5 倍左 右，所以，一般挤压设备吨位比较大，设备要求高。 2 2 4 冷挤压工艺的应用范围 由冷挤压的优点上我们可以看出，冷挤压加工方法是一种“优质、高产、低 消耗、低成本 的先进工艺，在技术上和经济上都有很高的应用价值。目前，冷 挤压技术已经在我国汽车、摩托车、仪表、电信器材、轻工、建筑、宇航、船舶、 军工及五金等工业部门中获得了广泛的应用，已成为金属塑性成形技术中不可缺 少的重要加工手段之一1 1 7 】。 作为一种少无切屑的新工艺，冷挤压已经成为世界先进制造技术中及具特色 的一个门类。冷挤压加工的缺点和优点相比是次要的，是相对于当前技术条件而 言的，随着科学技术的迅速发展，模具钢新材料的研究及开发，模具结构设计的 合理化，缺点问题会被解决，优越性将会得到充分发挥。在2 1 世纪，这种先进 的金属塑性成形加工工艺将会起到更大的作用，在各个行业中得到越来越广泛的 应用。 2 3 齿轮轴冷挤压工艺目前存在的问题 能够获得最优质量和最佳性能的制品是冷挤压技术优越性的重要标志。提高 挤压制品的质量和性能，努力消除缺陷，不断降低成本，是挤压生产的根本任务 和目标，目前国内外齿轮轴的冷挤压依然存在亟待解决的问题： ( 1 ) 齿轮部分的精度问题 主要是齿轮填充的问题，包括尺寸精度、轮齿的轮廓偏差、齿面的光洁度等， 这与模具的设计和制造精度，还有设备的负载能力和刚性有很大的关系，齿轮部 分凹模的形状和刚度、强度影响齿轮的精度，在成形之后，由于模具发生了弹性 变形又难以恢复，严重影响下一次成形的质量和模具本身的寿命，所以，合理的 模具设计或者高精度的补偿是解决这一问题的关键技术。 ( 2 ) 塑性变形过程的分析 由于金属塑性成形设计的问题复杂庞大，传统的有限元求解计算量也特别 大，目前主要依赖各种有限元分析软件，在模拟过程中，只能观察成形的整体， 或进行某一状态各参数的离散分析，对于整个金属成形的连续性研究还做不到， 更是无法对成形过程金属流动进行控制，这是金属塑性成形模拟技术的难题。开 辟这一理论，强化有限元软件的功能，对金属流动理论有重大意义。 ( 3 ) c a d c a e c 蝴应用的一体化 计算机辅助功能目前在冷锻技术中主要有三种应用形式即，c a d ：绘图( 冷 锻零件图，工序图、模具图等) ；c a e ：分析成形过程( 冷挤压变形过程应力、 速度、温度变化等) ；c a m ：数控加工模具制造等，但是这几部分还是处于一种 相对分离，脱节的状态，如果能将冷挤压工艺过程的模具设计和加工工艺与上述 过程有机的结合起来，那才是真正达到了c a d c a e c 舢应用的一体化。也将 是c a d c a e c a m 应用的一个飞跃【1 8 】【1 9 1 。 2 4 齿轮轴冷挤压工艺方案研究 2 4 1 齿轮轴冷挤压工艺分析 冷挤压成形技术采用一次性成形工艺提高齿轮轴性能和质量，是齿轮轴成形 的关键技术，同时缩短产品制造周期，节约材料，降低成本，最重要的是冷挤压 成形后能提高零件的尺寸精度和光洁度，更提高了产品的寿命，提高材料的利用 率，其工艺设计与挤压件的具体形状，挤压时金属的流动、挤压变形的趋向性、 挤压过程中材料体积的分配与转移、挤压件质量和模具寿命有密切关系，要认清 这些关系，以确定最适宜的挤压工艺，合理的成形方案和优良的模具结构。 事实证明，齿轮轴的冷挤压工艺，如果工艺合理、方案正确、精密成形的齿 轮轴能达到良好内齿填充，不需要再进行机加工就可使用，外轴部分根据锻件图 留有少量的切削余量即可。 所以齿轮轴的精密成型的优越性尤为突出，本论文要研究的齿轮轴的冷挤压 精密成形工艺，齿轮轴台阶部分的成形和齿轮部分的成形是重点。其中，齿轮部 分又是难点。 1 2 旷。? ”一? ? 1 1 1 。一1 一7 ”1 一j “”露 图2 5 齿轮轴产品造型图 另外台阶部分成形也不能忽视。因为这部分的成形好坏，成形后的金属性能， 对齿轮部分的成形有重要影响，传统的粗、精车加工，由于工人的技术水平有限， 和个体差异，齿轮轴造成断裂，裂纹，表面质量低，影响后续工艺的加工，总之 传统加工的每一个环节都直接影响零件的合格与否，这样的生产方式，不仅周期 长，成本高，对工人的操作技术水平要求高，而且废品率居高不下，质量问题， 严重影响着企业的竞争力。 针对本文齿轮轴的结构特点，确定了工艺方案为机加工和冷挤压相结合，即 由冷挤压完成由毛坯到锻件图的过程，然后通过机加工最后形成产品。 2 4 2 影响挤压件成形精度的主要原因 ( 1 ) 材料性质 4 5 号优质碳素结构钢有良好的塑性和强度等综合机械性能，工艺性能较好， 广泛应用于各种重要的结构零件，特别是那些在交变负荷下工作的连杆、螺栓、 齿轮及轴类等。本零件采用4 5 号钢。 ( 2 ) 变形方式 本零件属于实心件，根据零件特点选择正挤压。 ( 3 ) 变形程度 变形程度是衡量挤压力的重要因素。随着变形程度的提高，变形抗力不断增 加，挤压力越来越大。冷挤压变形程度的计算公式为： 占d - 锚1 0 0 x ( 2 1 )占= “l z 1j “ 4 其中：占。一一许用变形程度； 4 一一冷挤压变形前毛坯的横断面积，单位m m 2 ； 4 一一冷挤压后工件的横断面积，单位聊聊2 。 在本论文中，由于齿轮轴的挤压过程，台阶轴变形阶段，所以变形程度的计 算分两个部分进行，本论文中齿轮轴的变形程度由式( 2 1 ) 计算得： 第一个台阶处： 第二个台阶处： 1 万2 5 2 一一1 万1 8 2 铲l i 一 4 2 5 2 1 8 2 一秀广 = 4 8 一1 万1 8 2 一1 万1 5 2 铲l 寺 4 1 8 2 1 5 2 一面一 4 5 号碳素钢的正挤压许用变形程度为a m a x = 5 5 , - - - 6 0 1 2 1 】，由以上计算可 知，两次变形程度均在许用范围之内。 ( 4 ) 毛坯高度 毛坯尺寸大了会产生不必要的浪费，挤压件产生飞边，还可能造成模具的损 坏，毛坯小了会出现充不满的情况，所以合理的毛坯尺寸是必要的。 ( 5 ) 润滑状态 毛坯的软化处理，由于冷挤压时的挤压力大，挤压过程中凸模和凹模之间， 工件与凹模之间都会产生很大的摩擦，从而产生巨大的变形热，如果润滑性不好， 将会对模具产生巨大的破坏，造成经济损失，所以毛坯的热处理是冷挤压的重要 环节。 ( 6 ) 模具几何形状 挤压模的凸模和凹模形状，对单位挤压力有很大的影响。模具几何形状设计 得合理，易使毛坯在型腔中流动，可以改善摩擦情况，减少金属流动阻力，不仅 能显著地提高模具的使用寿命，还能减少单位挤压力。 ( 7 ) 挤压速度 在挤压过程中，除毛坯产生塑性变形外，部分变形能转换为温升，而且挤压 速度越大，温升现象越明显。挤压速度对挤压力的影响为：当断面缩减率 g 。 4 0 时，热效应的影响越来越大，毛坯温度升高，加 工硬化得到一定程度的软化。因此，随着挤压速度的增大，单位挤压力反而减小。 不同的挤压速度对挤压力的影响是本论文主要研究的内容之一。 综上所述，影响挤压件精度的因素很多，研究工作也相当复杂，包括毛坯的 材料，毛坯软化热处理，挤压力的大小，模具的尺寸，本论文在材料的软化处理、 润滑理想的状态下对不同模具形状、不同的挤压速度等情况，对齿轮轴的成形过 程进行数值模拟分析，分析各参数对成形的影响。 2 4 3 冷挤压方案确定 针对本文齿轮轴的结构特点，确定了工艺方案为冷挤压和机加工相结合，即 由冷挤压完成由毛坯到锻件图的过程，然后通过车削加工最后形成产品。 挤压工艺如下： ( 1 ) 下料：选择圆柱形毛坯，在专门的棒料冲剪机或剪切机上剪切法下料； ( 2 ) 断面处理：剪切的毛坯断面可能有踏角或断裂，所以要进行修整，保 证挤压时工件均匀受力； ( 3 ) 毛坯的软化热处理：对于4 5 号钢的软化处理，通过查阅相关资料中 冷挤压材料软化处理规范，可以制定退火热处理方案； ( 4 ) 毛坯的润滑与表面处理：磷化、皂化； ( 5 ) 冷挤压：在压力机上进行冷挤压一次成型，得到锻件图尺寸； ( 6 ) 机械加工修正：挤压成形的锻件图由机加工修整达到最后的产品尺寸 要求。 本文将在第三章利用体积不变原理计算出毛坯的合理尺寸，并制定具体的毛 坯软化热处理方案以及设计模具等。这些准备工作做好，才能保证挤压过程中金 属流动性好，保证冷挤压的顺利进行。 2 5 本章小结 本章论述了齿轮轴传统机加工工艺，分析了传统齿轮机加工工艺存在的问 题，提出了齿轮轴冷挤压工艺方案，针对