根据齿轮参数制定了齿轮冷挤压工艺流程，即原料准备→材料切割→挤压成形→表面 处理→质检，通过挤压力选定挤压设备，模具材料选用T8A钢，设计了凸模、凹模、导向机构和顶出机构等。
并通过分析有限元模拟结果，验证了模具的可行性，并通过多次模拟和工艺参数的调整，最终设计出合理且挤压效果较好的工艺参数，即挤压速度为2mm/s，摩擦系数为0.14。
引言
随着科技不断提高，对高精度、高质量齿轮的需求越来越大。作为一种重要的动力传动元件，直齿轮广泛应用于机械设备、汽车、轨道交通等领域。
直齿轮的应用范围涵盖了从工业生产到个人交通的很多地方，是现代化生活与经济发展的重要基础。冷挤压工艺成形出的直齿轮具有力学性能好、表面精度高、齿面质量好、 承载能力强等优点，如今已逐渐取代了传统的加工方法，成为加工直齿轮的主流工艺，直齿轮冷挤压的成形质量和模具使用寿命，与模具结构设计和工艺参数有关。
采用有限元模拟成形过程，可以验证模具结构的合理性，且能有效避免成形过程中如塌角过大、成形不完整的缺陷，提高工件的合格率。采用有限元模拟分析对直齿轮冷挤压模具进行设计，可以节约产品开发周期，节约实际生产成本，并通过模拟分析出较优的工艺参数，提高模具使用寿命。
直齿轮冷挤压工艺方案
直齿轮参数
齿轮模数取2.5mm，齿数为20，压力角20°，分度圆直径 50mm，齿轮材料选择 40Cr合金钢，齿面为硬齿面，确定齿宽系数0.5，齿宽为25mm。
冷挤压工艺方案制定
确定直齿轮冷挤压成形工艺的加工的工艺流程如图1所示。
图1 工艺流程图
制定的齿轮冷挤压成形工艺方案如下：
①原料准备：选择40Cr合金钢作为毛坯材料;
②材料切割：将金属材料切割成适当长度的坯料;
③挤压成形：坯料放入挤压筒中，通过压力将坯料挤压成直齿圆柱齿轮;④对齿轮进行表面处理：对挤压好的齿轮进行表面处理;
⑤对齿轮进行质检：表面处理好，对齿轮进行质量检查，保证齿轮符合要求。
挤压力计算
挤压力的大小受坯料的形状尺寸、材料的性质、模具的几何形状、挤压速度和润滑条件等多种因素影响。金属的流动性和变形过程中模具对坯料的摩擦阻力也会影响挤压力大小。正挤压的单位挤压力计算公式如下：
计算得，模具挤压齿轮时的挤压力为391.365MPa。
挤压设备的选择
直齿轮冷挤压吨位计算公式如下：
最终计算得出，此次设计的直齿轮冷挤压吨位为89, 093.604t，可以选择Y32-150t四柱液压机-四柱油压机。
模具设计
模具材料
模具材料是模具制造的基础，其选择直接影响到模具的性能、使用寿命和经济效益。在冷挤压模具的设计中，应该选择具有高硬度、高强度、高耐磨性和良好韧性的模具材料。
由于模具的材料硬度和强度都要高于40Cr合金钢，所以模具材料选用T8A钢。T8A钢具有较高的硬度和抗疲劳强度，在各类冷加工模具和各种刀具加工方面都有较为广泛的应用。
T8A钢是碳素工具钢，含碳量在0.75%~0.84%，具有高硬度，在冷挤压过程中，能够保持稳定性，不易损坏。同时，它还具有良好的耐磨性，在长时间的使用过程中，仍能保持出色的性能。
直齿轮冷挤压模具结构设计
采用的模具结构为正挤压模具，正挤压模具是由反挤压模具演变而来的。正挤压模具主要包括凸模、凹模、导向机构和顶出机构等结构，凸凹模是模具的核心部分，它负责塑造出产品的形状，顶出机构的设计，是为了提高模具工作的连贯性。在产品成形过程中，顶出机构的顺畅运行，可以避免产品因模具卡滞而出现的损坏。
通过CAD设计出模具的基本结构，如图2所示。根据直齿圆柱齿轮参数确定好模架的尺寸，上模座尺寸为150×150×30mm，下模座尺寸为 150×150×30mm，导柱长度120mm，导柱直径ϕ20mm，导套直径ϕ25mm，导套壁厚5mm，导套长度100mm。模具合模后整体高度为180mm。
图2 模具整体设计剖视示意图
模具工作部分设计
(1)凸模设计。
凸模中设计了固定装置——凸模定位圈和凸模座，保证凸模在受到压力时不会发生晃动，从而提高凸模在工作过程中的稳定性和精确性，凸模定位圈和凸模座采用内嵌固定的方式。
凸模上模架采用两层的内部梯台结构设计，高度分别为5mm和15mm。为保证成形过程中模具正常顺利开模与合模，设计了导柱和导套作为导向机构，导套安装在上模板上，上模架包括上模板和导套。
模架、凸模上垫板、凸模、凸模座、凸模定位圈装配后的上模三维图如图3所示。
图3 上模三维图
(2)凹模设计。
凹模的设计要考虑凹模的形状、尺寸、壁厚、固定方式等因素。凹模壁厚要合理适中，壁厚过薄，可能会导致模具在使用过程中出现变形或损坏;
凹模壁厚过厚，则会增加模具的重量，不利于节约成本。凹模壁厚设计为15mm，入模角30°，这样有利于材料在挤压过程中更好地流向凹模模腔，提高挤压件的表面精质量，且可以凹模的承载能力和使用寿命。
为了保证凹模在工作过程中的稳定性和精准性，确保凹模在受到压力时不会发生偏移或晃动，设计了固定装置——凹模固定圈和凹模压盖，能有效地支撑和固定凹模。导柱需要安装在下模板上，下模架包括下模板和导柱。
下模架、凹模固定板、凹模、凹模压盖、顶杆座、顶杆、滑块定位圈和滑块装配后，可得到本次模具设计的下模，如图4所示。
图4 下模三维图
工艺参数分析
根据模拟结果如图5所示，挤压件成型性较好，模拟成功，模具设计合理。
图5 模拟完成的成品
直齿圆柱齿轮挤压过程的整体应力分布情况如图6所示。由图6可以看出，挤压过程应力分布比较均匀。应力分布均匀可以有效提高挤压件结构的整体稳定性，避免了挤压件因应力集中而导致的局部被破坏的现象，能够保持较好的整体性能，有助于延长挤压件的使用寿命。
图6 应力分布情况
直齿圆柱齿轮挤压过程的应变分布情况如图7所示。由图7可以看出，挤压过程齿面的应变分布比较均匀。应变分布均匀可以有效提升直齿轮齿面的稳定性，避免了直齿轮因应变集中而导致的局部齿面被破坏的现象，能够较好地保持齿轮的整体性能，有助于延长挤压件齿轮的使用寿命。
图7 应变分布情况
摩擦系数分别取0.10、0.12、0.14，挤压速度分别取1mm/s、2mm/s、3mm/s，控制单一变量，依次进行模拟。
图8a、图8b、图8c为摩擦系数0.1，挤压速度分别为1mm/s、2mm/s、3mm/s时应力分布图，图8d、图8e、图8f为摩擦系数0.1，挤压速度分别为1mm/s、2mm/s、3mm/s时应变分布图。
图8 摩擦系数0.1不同挤压速度下应力应变分布情况
分析可知，挤压速度1mm/s和3mm/s时，挤压应力较低且应力分布更均匀，挤压件结构的整体稳定性更高，可避免挤压件因应力集中而导致的局部被破坏的现象。综上，当挤压速度1mm/s和3mm/s时，挤压件齿轮的整体效果更好些，有助于延长挤压件齿轮的使用寿命。
挤压速度3mm/s时，挤压应变分布相对均匀，压件结构的整体稳定性更高，可避免挤压件因应变集中而导致的局部被破坏的现象。综上，当挤压速度3mm/s时，挤压应变更低，挤压的整体效果更好些，能够较好地保持齿轮的整体性能，有助于延长挤压件齿轮的使用寿命。
综合本组的模拟结果的应力应变分布对比分析，本组模拟对比结果：本组最佳挤压工艺参数为摩擦系数0.10、挤压速度3mm/s。
图9a、图9b、图9c为摩擦系数0.12，挤压速度分别为1mm/s、2mm/s、3mm/s时应力分布图，图9d、图9e、图9f为摩擦系数0.12，挤压速度分别为1mm/s、2mm/s、3mm/s时应变分布图。
图9 摩擦系数0.12不同挤压速度下应力应变分布情况
挤压速度3mm/s时，挤压应力较高，但挤压齿轮的应力分布均匀，挤压过程中不易出现局部应力集中而被破坏的现象，挤压速度1mm/s时，应力分布较均匀且挤压应力较低但局部的应力集中过高，易出现局部被破坏的现象。挤压速度3mm/s时，能够更好地保持较好的整体性能，有助于延长挤压件齿轮的使用寿命。
挤压速度1mm/s时，挤压应变分布均匀且挤压应变较低，挤压速度3mm/s时，挤压应变分布较均匀且挤压应变低。挤压速度1mm/s、3mm/s时，都能够更好地保持较好的整体性能，有助于延长挤压件齿轮的使用寿命。
综合本组的模拟结果的应力应变分布对比分析，本组模拟对比结果：本组最佳挤压工艺参数为摩擦系数0.12、挤压速度1mm/s。
图10a、图10b、图10c为摩擦系数0.14，挤压速度分别为1mm/s、2mm/s、3mm/s时应力分布图，图10d、图10e、图10f为摩擦系数0.12，挤压速度分别为1mm/s、2mm/s、 3mm/s时应变分布图。
图10 摩擦系数0.14不同挤压速度下应力应变分布情况
当摩擦系数为0.14时，挤压速度为2mm/s，应力分布相对均匀且低，挤压件齿轮的结构整体更稳定，可有效避免挤压件齿轮因应力集中而导致的局部被破坏的现象，相应的齿轮的整体性能越好，能够更好地保持齿轮的整体性能，有助于延长挤压件齿轮的使用寿命。
当摩擦系数为0.14时，挤压速度为2mm/s，挤压应变分布相对均匀且应变值更低，相应的齿轮的齿面性能更好。挤压速度为1mm/step，挤压应变分布更均匀，但是局部应变值和平均值相差更大。所以挤压速度2mm/s时，挤压的整体效果更好些，更有助于延长齿轮的使用寿命。
综合本组的模拟结果的应力应变分布对比分析，本组模拟对比结果：本组最佳挤压工艺参数为摩擦系数0.14、挤压速度2mm/s。
对比上述挤压结果最佳的三组工艺参数的应力和应变分布图，发现当摩擦系数0.14，挤压速度为2mm/s时，挤压应力相对较小且分布相对均匀，挤压件齿轮的整体效果更好些，能够保持较好的整体性能，有助于延长挤压件齿轮的使用寿命。
当摩擦系数取0.14，挤压速度取2mm/s时，挤压应变值相对较小但整体分布不太均匀，容易出现损坏的现象。当摩擦系数取0.12，挤压速度取1mm/s，分布相对均匀且应变较小，挤压的整体效果更好些，更有助于延长齿轮的使用寿命。
最终确定应力分布最佳挤压工艺参数为摩擦系数 0.14、挤压速度2mm/s。
结论
(1)直齿轮冷挤压工艺路线为：原料准备→材料切割→挤压成形→表面处理→质检。
(2)模具材料选用T8A钢，设计了凸模、凹模、导向机构和顶出机构等。
(3)使用有限元分析验证了模具设计的可行性，并通过多次模拟和工艺参数的调整，最终设计出合理且挤压效果较好的工艺参数，即挤压速度为2mm/s，摩擦系数为0.14，为实际生产提供研究基础。
参考文献：略。
第一作者简介：叶彩红，女，1991年 11月生，高校专任教师。