内花键齿形冷挤压成形工艺方案的研究_夏玉峰

Hot Working Technology 2013, Vol.42,No.5

内花键齿形冷挤压成形工艺方案的研究

夏玉峰，郑晓凯，张辉，杨显红

(重庆大学材料科学与工程学院，重庆400044)

摘

要：归纳并分析了内花键齿形成形工艺方式，运用DEFORM-3D 有限元软件，采用直接成形、间接成形两种方

式对其冷挤压过程进行了模拟。结果表明：增加一道预成形工序来间接成形内花键齿形能够大大提高生产效率、端面尺寸精度及模具使用寿命，最优成形孔尺寸为20.5mm 。

关键词：内花键；冷挤压；数值模拟；预成形工序中图分类号：TG376.3

文献标识码：A

文章编号：1001-3814(2013)05-0120-02

Research on Cold Extrusion Forming Process of Internal Spline Tooth

XIA Yufeng, ZHENG Xiaokai, ZHANG Hui, YANG Xianhong

(Collegeof Material Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China)

Abstract ：After summarizing and analyzing the forming technology of internal spline tooth, the cold extrusion processes were simulated with FE software DEFORM-3D by direct forming and indirect forming. The results show that:indirect forming adding a preforming process can mostly improve the production efficiency, the dimension accuracy of the end surface and the die working life. The optimal forming hole size is 20.5mm.

Key words ：internal spline; cold extrusion; numerical simulation; preforming process

内花键是机械传动中的重要零部件，主要起连接和传动作用，广泛应用于汽车制造领域。传统内花键成形方法主要有拉齿和插齿加工，其生产效率低，材料利用率低，不能满足大批量的生产需求。冷挤压成形是一种高精、高效、优质低耗的金属塑性成形工艺，生产效率比拉齿、插齿加工要高几倍到十几倍，材料利用率可达到70%～80%。

件，花键齿顶尺寸公差为0.3mm ，且表面粗糙度要求为R a6.3。盲孔内花键成形的传统工艺为插齿加工，此工艺材料利用率和生产效率都较低，不能满足大批量的生产需求。为保证内花键成形精度，同时提高零件的力学性能，本文采用冷挤压成形工艺。

冷挤压成形内花键齿形有两种方式，如图2所示。图2(a)所示为直接成形内花键，属于反挤压成形；图2(b)所示为间接成形，即在棒坯上先预钻成形孔，再冷挤压成形内花键齿形，属于正挤压成形。

1内花键成形工艺方案制定

图1所示为内花键零件图，属于简单轴对称零

0. 075准40--0. 115

准25+0.10

(a)直接成形

6. 3

50

30

+0.3准20.20

6+0.05

+0.15

Fig.1The schematic diagram of the internal spline

收稿日期：2012-07-19

作者简介：夏玉峰(1972-), 男, 四川人, 副教授, 主要研究方向:塑性成形

及模具设计; 电话:[1**********];E-mail:[email protected]

通讯作者：郑晓凯(1987-), 男, 河南郑州人，硕士，主要研究方向：模具

图1内花键示意图

(b)间接成形

CAD/CAM;电话:[1**********];E-mail:[email protected]

Fig.2The forming process of the internal spline

图2内花键成形工艺

2有限元模型的建立

坯料为塑性体，模具为刚性体(忽略模具变形) ，

B C D

DDB B

B

B B

B D

D D

最小距离/mm

B C

由于内花键为轴对称，取1/2进行数值模拟，坯料材料

AISI-1035，杨氏模量Y =29987.1MPa，泊松比v =0.3，軍=σ軘(ε軈，ε觶，T ) ，式材料采用刚塑性流动应力模型：σ

軈为等效应变；ε觶为等效应变速率；T 为变形温中：ε

度。刚塑性有限元的理论基础是马克夫变分原理，在满足变形速度与应变速率关系式、体积不可压缩条件和速度边界条件式的一切运动容许速度场中，泛函数为：

A=0.000

B=0.100C=0.200D=0.300E=0.400

B C D

D B D B

A B

A

A B B D B C D

B D B B B D D C B C

C D

B

B

A A

D C

D B

Fig.3Direct forming the internal spline tooth

图3直接成形内花键齿形

图。从图中可以看出，内花键齿形成形情况良好，未与凹模接触的距离在0.1mm 范围内，满足内花键齿形尺寸精度、公差要求。但由于凸模直接对坯料挤压成形，使得坯料在凸模的挤压作用下向凹模处形成巨大作用力，如图4所示。对凹模侧壁最大作用力为

ΠM =

乙

V

軍ε軈d V-σ

乙

S p

軈i v i d s p

軍为等效应力，σ軍=式中:σ軈=变，ε

(εε；p 軈i 为表面力。成形过程采用剪切

2ij ij

軍/姨，式中：m 为剪摩擦模型，剪切应力εij =mk =m σ

姨

(σ′σ′；ε軈为等效应ij ij 35500N ，容易造成坯料留在凹模型腔中而无法取

出，从而阻止生产的连续性，降低生产效率及模具使用寿命。

姨

3.2间接成形

图5所示为间接成形时，不同预成形工艺孔直径成形内花键齿形示意图。从图中可以看出，不同成形工艺孔直径对内花键齿成形精度影响明显，直径越大，内花键齿成形精度越差，原因在于直径越大，需要填充齿形的金属就越多，而根据最小阻力定理，金属很难向周向流动填充齿形，大部分金属都向轴

最小距离

切摩擦因子，取0.12；k 为剪切屈服强度。凸模速度为80mm/s。

3模拟结果分析

图3所示为直接挤压成形内花键齿形情况示意

B

3.1直接成形

[**************]0.000

B

B B D D B

D C D D B C B

/mm

A=0.000B=0.100C=0.200D=0.300E=0.400

Fig.4The force of the internal wall of the die in direct forming (N)

图4直接成形对凹模内壁的作用力(N)

(a)准=21.5mm

Fig.5Indirect forming the internal spline tooth

表1不同预成形孔直径对齿形精度和凹模内壁作用力的影响

(b)准=21.2mm (c)准=20.5mm 图5间接成形内花键齿形

(d)准=20.3mm

向流动，从而导致内花键齿成形精度难以保证。但工艺孔直径也不能太小，过小工艺孔使金属在成形过程中增大与坯料的摩擦力，且向孔端面外流动，从而不能获得较好的齿形精度及内花键端面质量。

表1所示为不同预成形工艺孔直径对齿形精度和凹模内壁作用力的影响。从表可以看出，当工艺孔直径为20.5mm 时，齿形未与凹模内壁接触的最大距离最小，齿形质量最好，且端面未出现褶皱等现象，尺寸精度达到零件规定要求。同时，在冷挤压过程中，内花键齿形对凹模内壁的最大作用力为8560N ，

Tab.1The effect of different perform holes on the tooth

accuracy and force of the internal wall in the die

序号

工艺孔直径

准/mm21.521.220.520.3

坯料未与凹模内壁接触坯料对凹模的最

最大距离H /mm大作用力F /N

1

2340.390.320.120.[***********]

远小于直接成形，如图6所示。因此，从保证生产连续性和提高生产效率方面考虑，间接成形内花键齿形优于直接成形，成形孔直径准=20.5mm。

(下转第129页)

高，还可克服其它因素对挤压温度的影响，具有良好的等温控制性能。参考文献：

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(上接第121页)

[1**********]00.000

(2)在满足精度的前提下，间接成形内花键生产

效率更高，端面质量更好，且对凹模内壁作用力远小于直接成形，有利于提高模具寿命。

(3)采用间接成形方式成形内花键，成形孔直径准=20.5mm 时，零件尺寸精度最高，为最优方案。

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Fig.6The force of the internal wall of die in

the indirect forming(N)

图6间接成形对凹模内壁的作用力(N)

4结论

(1)与传统的插齿加工成形内花键相比，采用冷

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挤压工艺，可以提高零件的生产效率及力学性能。

(上接第123页) 热的共同作用下，温度值较高。当上模下压速度为10mm/s时，叶身处的温度值最高在990℃左右，榫头处的最高值在880℃左右，整体都

出现温度下降，变形过程中温度过低不利于金属流动，也使金属的塑性降低，不利于动态再结晶的形核，晶粒细化程度不佳，影响金属内部组织结构。因此，上模下压速度不宜过低，选择适当的下压速度，才能获得综合性能良好的锻件。

是温度场对摩擦因子的敏感性弱于始锻温度及上模下压速度。参考文献：

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3结论

(1)本文通过模拟分析发现，始锻温度1020℃，摩擦因子0.1，上模下压速度25mm/s时，叶片终锻

模拟结果较好。

(2)不同的始锻温度、摩擦因子和上模下压速度

下叶片终锻过程中的温度场整体分布规律类似，但