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花键轴数值模拟挤压论文范文

1.引言

花键冷挤压是指在常温下通过齿模挤压金属材料使其产生塑性变形的加工方法,冷挤压成形技术靠模具的形状来控制金属的流动方向,通过金属的轴向或径向流动来形成所需的零件.

与其他加工方式比较,冷挤压成形工艺的主要优势如下：

(1)降低原材料的消耗：

冷挤压在不破坏金属的前提下,使金属材料作塑性转移,可以达到少切削或无切削的近净成形,提高材料的利用率,冷挤压材料的利用率可达80%以上.

(2)提高劳动生产率：

冷挤压在压力机上完成,一次行程即可完成零件加工,效率比切削方式高近10倍.

(3)强度高：

由于冷挤压工件材料流线连续,表面塑性变形后晶粒组织更加致密,存在加工硬化现象,同时,由于金属挤压过程中有残余压应力,使冷挤花键的扭转强度较切削花键提升20%.

(4)制件可获得较高的表面粗糙度和尺寸精度

冷挤压制件表面质量较好,表面粗糙度Ra可达0.4-1.25¨m,挤出零件精度主要取决于模具精度,可达IT7-IT8级.

2.有限元模型建立

图1为车辆转向空心轴产品,产品花键外径为中15.69-15.8mm,孔径为中6mm,花键齿高为0.5mm,在冷挤压过程中,花键齿形变形主要集中在胚料的圆周表面,与模具接触的齿底金属在挤压力作用下产生塑性变形,向未接触模具的齿槽侧流动,形成零件的齿顶.因零件存在缺齿,故周齿变形量有所不同,为有效对全齿和缺齿部位进行模拟,建立了缺齿+全齿的对称模型,以保证仿真的准确性.

模拟采用DEFORM 3D软件,零件为弹塑性体,采用局部网格细化,减少模拟时间.模具为刚性体,建立模型如图2、图3所示：

3.零件挤压强度校核

3 1 挤压力计算

根据等体积成形原理,花键成型体积中值为15.20mm.

单位挤压力的经验公式

P等于q[(1+μctgd )ln( d02/di2) +4 a/3√13

F等于P1T d02/4

其中参数如表1：

得：P等于90.17MPa

F等于16.362kN

所以零件加工花键所需的总挤压力约为 16.3 62kN.

3 2挤压花键轴的稳定性

零件全长为L等于263.54mm,外径为D等于q22.4mm,内径最小为d等于q16.4mm,为简化计算,将其近似考虑为空心圆管,取E等于210GPa^

零件横截面的惯性矩为：

I等于π( D4_d4) /64等于8.8×l0-9m4

根据欧拉公式,零件临界压力Pct等于1T 2EI/L2

带入已知数据,得：Pct等于262430.8N等于262.4308kN

零件总挤压力远远小于材料临界压力,在挤压过程中不会因挤压力而失稳.

4.零件挤压方式确定

我公司于2014年购入了德国FELSS花键冷挤压设备,该设备具备脉冲挤压功能,从仿真情况来看,相同条件下,分别采用一次挤压和脉冲挤压的情况下,采用脉冲挤压能够降低10-15%的挤压力,零件尺寸没有明显差异,因此,后续实际零件挤压过程均采用脉冲挤压方式,以降低挤压力.

5.零件挤前尺寸确定

零件花键模具大径按照D等于西15.80mm、小径d等于中14.69、跨棒距为17.03mm设计时,其理论体积中点直径为q15.20mm,考虑零件表面材料的横向及纵向流动,分别取毛坯直径模拟,为简化模拟过程,采用一次挤压完成零件加工,结果如表2所示：

从仿真结果看,直径为15.20-15.40mm均能顺利成型,其中中15.2mm成形后,缺齿部位填充较好,但全齿部位充形不饱满,大径尺寸偏下限；q15.3mm成形后,后端余料均匀产品表面质量较好；中15.4模具充型最为饱满,尺寸已接近上限；西15.6花键挤压时,距端面5mm处零件明显折叠,不能顺利成型.

从仿真力来看,因零件存在缺齿,仿真采用的是1/6对称方式,挤压力经验公式未考虑缺齿对计算结果的影响,而仿真过程按照6颗缺齿计算又放大了挤压力,所以理论计算结果和仿真结果均不能准确的体现真实的挤压力,但二者均可作为真实挤压力的参考值,用以指导挤压参数选择和模具寿命的计算,图图5所示.

从挤压力及成形效果来看,零件挤压前毛坯管直径应控制在15.20-15.30mm.