内齿轮冷挤压参数优化设计及模具寿命预测【摘要】将正交试验设计方法和冷挤压数值模拟方法相结合，评估了冷挤压过程中参数：凹模锥角、摩擦系数和挤压速度对成形力的影响，并确定最优的工艺参数组合。以汽车减速轴为例，分组建立了冷挤压件和模具的有限元模型，运用正交试验方法进行分组仿真分析，通过对轴向挤压力数据的方差分析，确定最优的工艺参数组合，并根据优化后的参数，对模具的寿命进行预测。试验方法对实际工艺设计具有指导意义。【关键词】冷挤压工艺参数，数值模拟，正交试验，寿命预测OptimizationForColdExtrusionParametersOfInnerGearAndDie’sLifePredictionAbstract:combiningtheorthogonalexperimentwithcoldextrusionsimulation,theparametersofthecoldextrusionprocess,suchashail-cone-angleofthebottledie,frictioncoefficientandpunchspeed,weregenerallystudiedandtheloadonthedieswasevaluated.Thentheoptimizationoftheparameterswereobtained.Takinganautomobileshaftasanexample,theFEAmodelswerebuilt,andtheorthogonalexperimentwasconductedtomakeplansforsimulation.WiththestatisticalanalysisofthevarianceonZload,theoptimizationofparameterswereobtained,andthelifeofmoldwaspredicted,whichcouldprovideguidanceintheproducingdesign.Keywords:coldextrusionprocessingparameters,numericalsimulation,orthogonalexperiment,lifeprediction1引言汽车起动机减速轴是起动机的重要零部件之一，在汽车起动时起传递转矩和力的作用。因此，对其结构要求严格。其一端为盲孔内无越程槽内齿轮，另一端是具有螺旋花键的减速杆，主要应用于行星齿轮传动。本文基于275减速轴进行研究，其结构如图1所示。图1275减速轴由图1可以看出，减速轴一端属于轴杆类零件，另一端是齿轮类零件，结构比较复杂。采用传统的加工方式，生产内齿轮工序复杂，且操作困难，达不到无越程槽的要求。随着金属挤压技术的发展和设备的更新，冷挤压加工工艺的优越性越来越受重视，并逐渐扩大应用范围。因此，采用冷挤压技术加工内齿轮成为先进制造工艺。而随着计算机的升级和相关软件的发展，应用有限单元法对金属挤压工艺进行数值模拟成为可能，并获得可靠的理论结果[1，2]。本文针对275减速轴进行冷挤压工艺参数的数值仿真优化，并根据优化结果预测了模具的使用寿命。2.275减速轴2.1材料选择275减速轴选材时整体要求具有优良的力学性能，及高的强度和韧性；承受较大的交变载荷时要求有高的抗疲劳强度；局部要求高硬度、高耐磨性[3，5]。综合以上的考虑，确定减速轴的材料为20Cr。20Cr是合金结构钢，其主要的化学成分和机械性能如表1、表2所示。表120Cr化学成分表Tab.1Componentof20Cr名称CSiMnCrTi20Cr0.17~0.240.2~0.40.5~0.80.7~1.00表220Cr机械性能Tab.2Mechanicalcharacterof20Crσb(kg/m2)σs(kg/m2)δ(%)Φ(%)αk(kg·m/cm2)HB试验温度（℃）线膨胀系数（10-6/℃）20Cr855510406133~13820~10011.320~20011.620~40013.220~60014.2淬火温度（℃）冷却剂回火温度（℃）冷却剂热处理用毛坯尺寸（mm）退火或回火后硬度压痕直径（≥mm）第1次第2次20Cr880800水或油200水、空气154.52.2冷挤压工艺275减速轴冷挤压加工工艺的设计关键在于内齿轮的成形。齿轮为变位渐开线式，且成分性能材料性能材料齿数较多，对精度要求高。确定采用反挤压加工工艺[3]。反挤压加工工艺，就是挤压时，金属的流动方向与凸模的运动方向相反，反挤压法可以制造各种断面形状的杯形件，如仪表罩壳、万向节轴承套等。根据减速轴结构参数，建立的三维模型[4]如图2所示。凸模模型图毛坯模型图凹模模型图图2凸模、毛坯和凹模的三维造型图3正交试验和优化3.1正交优化方法简介正交试验设计是部分因子设计（fractionalfactorialdesigns）的主要方法，具有很高的效率及广泛的应用。正交设计对安排多因素试验效率高，往往能用较少的设计次数获得或推断出最佳设计结果。根据正交试验设计理论，利用数理统计学与正交性原理，从大量的试验点中挑选适量的具有代表性、典型性的点，应用正交表合理安排试验。正交试验...
