内花键冷挤压工艺的优化

雷建波，郑晓凯，杨显红

（1.海装重庆局，重庆 400042；2.重庆大学 材料科学与工程学院，重庆 400044）

内花键是机械传动中的重要零部件，主要起联接和传动作用，广泛应用于汽车制造领域。冷挤压是一种高精、高效、优质低耗的金属塑性成形工艺。传统的直接冷挤压成形工艺，凸模对凹模侧壁作用力大，花键不易从凹模取出，造成生产的不连续性及模具寿命减小。基于此，对内花键的挤压工艺进行了改进和优化。

1 内花键冷挤压工艺的改进

图1 所示为内花键零件示意图，为简单回转体零件，花键齿顶尺寸公差为0.3mm，且表面粗糙度要求为Ra6.3。采用冷挤压成形工艺不仅保证内花键成形精度，而且提高零件的力学性能。本工艺与传统的冷挤压工艺相比，改进之处在于增加了一道预成形工序。图2a 为传统的直接成形内花键，属于反挤压成形，图2b 为改进的间接成形，即在棒状坯料上先预钻成形孔，再冷挤压成形内花键齿形，属于正挤压成形。

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），由于内花键套为简单回转体，所以只取1/2 进行数值模拟。坯料选用AISI-1035，杨氏模量Y=29987.1MPa，泊松比v=0.3，数值模拟采用刚塑性流动应力模型：，其中表示等效应变表示等效应变速率，T 表示变形温度。刚塑性有限元理论基础为马克夫变分原理，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vi中，使泛函数为：

3 模拟结果分析

花键冷挤压过程中主要考虑两个要点，其一是花键的成形质量要良好，其二是减小坯料对凹模侧壁的作用力。在整个间接成形过程中，影响花键成形质量的主要因素有工艺孔直径∅、凸模导向部分入模半角α/2。采用不同尺寸的工艺孔直径进行模拟，得出最优尺寸，然后对不同入模半角进行模拟，得出间接成形的最佳工艺参数。

3.1 工艺孔直径的确定

图3 所示为采用间接成形时，不同预成形工艺孔直径成形内花键齿形的示意图。可以看出，直径越大，内花键齿形的成形精度越差，原因在于随着直径的增大，需要填充齿形的金属材料就越多。根据最小阻力定理，大部分金属都向轴向流动，很难向周向流动来填充齿形，从而导致内花键齿形成形精度难以保证。同时工艺孔直径也不能太小，过小工艺孔使金属在成形过程中与坯料的摩擦力增大，且向孔端面外流动，从而不能保证较好的端面质量及花键齿形精度。

图3 间接成形内花键齿形

表1 所示为不同预成形工艺孔直径对齿形精度和凹模侧壁作用力的影响。可以看出，工艺孔直径∅取20.5mm 时，齿形未与凹模内壁接触的最大距离最小，即齿形质量最好，端面也未出现褶皱等现象，尺寸精度达到生产规定要求。同时，在冷挤压过程中，内花键齿形对凹模侧壁的最大作用力F=8560N，远小于直接成形时的作用力35500N，使花键容易取出，同时提高了模具使用寿命，如图4 所示。因此，为保证生产连续性和提高生产效率，采用间接成形优化后的加工工艺优于直接成形，成形孔直径∅=20.5mm。

表1 不同预成形孔直径对齿形精度和凹模内壁作用力影响

3.2 入模半角的确定

合适的入模半角不仅有利于花键齿顶的填充，而且金属流动行程适中，使挤压力减小。本文选取入模半角 α/2 为 20°、22.5°、25°、27.5°进行数值模拟分析，发现α/2 为25°时，凸模导向部分长度适中，挤压力最小，且此时齿顶成形质量最好，故入模半角α/2 取25°。

4 结论

（1）与传统的直接成形内花键相比，间接成形内花键对凹模内壁的作用力大大减小，使花键容易取出，同时提高了生产效率及模具使用寿命。

（2）通过模拟优化发现：间接成形内花键时，成形孔直径∅取20.5mm，入模半角α/2 取25°时，零件尺寸精度最高，为最优方案。

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