基于DEFORM微型齿轮模具入模角分析及选用

摘要： 对微型齿轮模具入模角挤压成形的影响进行有限元模拟，利用DEFORM软件模拟其成形过程中的金属流动充填规律和变形中应力应变、载荷特征，揭示了其微成形过程的变形机理，选择合理入模角实验，挤出形状良好的微型齿轮。

Abstract： Effects of die entrance angle on micro-extrusion forming were simulated by FEM. The deformation process was simulated with DEFORM， the metal flow and filling and stress-strain and load feature were obtained. The deformation mechanism of gear micro-forming was disclosed， and the test was done with the suitable die entrance angle. The extrusion micro-gear has very good shape and performance.

关键词： 微挤压;入模角;数值模拟;微型齿轮

Key words： micro-extrusion;die entrance angle;numerical simulation;micro-gear

中图分类号：TG376.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）04-0036-03

0 引言

在工业快速发展的今天，产品微型化和精密化成为工业发展趋势之一。微型零件因体积比较小、材料消耗低而倍受青睐，应用也越来越广泛。齿轮传动的特点是传递动力大、效率高、寿命长、工作平稳、可靠性高，被广泛应用[1]。微型小齿轮现在在微机电系统、微型摄像以及医学仪器等方面得到广泛的应用。起初这些微型零件都用特殊光刻、蚀刻、超声波等加工方法。这些技术虽然可以满足加工要求，但生产效率低、周期长、成本较高，给使用者带来很大的经济负担，若没有新技术产生，微型化产业发展可能受到阻碍，所以有些人又把科技革新思维转向具有快速成型模具这种加工方法上来。

2010年西北工业大学设计开发一种微挤压成形系统，成形出了直径为1.6mm、齿数为6的微型齿轮[2];2013年2月上海交通大学陈少东利用热挤压成形出齿顶圆直径为1.41mm的微型齿轮[3]。

本文将采用微成形挤压模具，在引用两种入模角的情况下，用DEFORM软件对挤压成形时的坯料应力、应变及充填情况等进行模拟，然后对比比较分析，采用较好的入模角在热模拟实验机上进行热挤压实验，挤出齿顶圆直径为1mm微型齿轮。

1 模拟条件和分析

1.1 模拟条件、假设 本次模拟主要研究在引入不同入模角后，对微型齿轮热挤压成形数值模拟，分析齿形充填状况、表面质量、挤压力大小、挤压过程中应力应变等问题。

为了便于模拟分析对模拟条件作以下约束规定：

①所用软件为PRO/E 5.0和DEFORM 6.0。

②通过另外的实验得H62黄铜挤压成形参数导入DEFORM材料库中，从中选择H62黄铜。计算坯料所选的材料为H62黄铜（20～900℃）。

③齿轮参数为：齿数z=6，模数=0.125mm，压力角？琢=20°。

④模拟时毛坯温度选在具有较高塑性和流动性的相变温度区内[4]，设为650℃。

⑤实验前将热模拟试验机工作室抽成真空，很好防止毛坯与模具及环境间的热传递，将整体模具预热30分钟，保证H62黄铜坯料与模具间温度基本一致，保证模拟中条件稳定性。

⑥模具简化为刚体，挤压过程中模具不发生变形，不会被破坏，不考虑凹模厚度的影响[5]。

⑦模拟时挤压工作速度为0.1mm/s，H62黄铜坯料与模具之间的摩擦因数为0.02。

⑧H62黄铜坯料表面单元数为1000000，模拟步骤为5000步，且模拟过程中网格畸变较大时系统自动重划分网格。

⑨整个模拟过程中毛坯的应力、应变场等变量前后继承[6]。

1.2 模拟分析 这次热挤压成形试验是齿顶圆直径为1mm的小齿轮，挤压杆直径为3mm，长约16mm，在实际挤压过程中，挤压杆的强度能否能承受巨大的挤压力还不确定，为了减少试验时间和提高效率，保证试验顺利进行，在挤压时加于入模角，进而分析比较效果如何。

于是利用DEFORM 6.0分别对15°、45°入模角对微型齿轮热挤压成形进行模拟，从成形时应力、应变、挤压力大小、齿轮外形表面质量等综合考虑，取最佳入模角进行试验。

1.2.1 两种情况下等效应变图 （图1、图2）

从图1、图2可以看出45°入模角在相同的步骤下，它的等效应变量变化比15°入模角的要小，并且坯料内外等效应变相差不大，在15°入模角这中情况下，坯料与入模角壁接触的部分等效应变量大，中间等效应变量较小，这样可能导致坯料内外金属流动速度差异较大，可能会产生挤压缩孔现象。

1.2.2 两种情况下1/12模型载荷图 （图3、图4）

从挤压力载荷图可以清楚的看出，两种入模角情况下挤压力大小差不多，45°入模角在开始阶段要小一些，在后半段基本呈上升趋势，挤压力比在入模角为15°的情况下要大。从整个过程挤压力的大小及稳定性来看，入模角为15°的情况要好一些，但两者相比差异不大。

1.2.3 两种情况下等效应力图 （图5、图6）

从图5、图6可以看出45°入模角的等效应力比较小，特别在坯料与微型齿轮模具接触处，45°入模角的等效应力比15°入模角的好很多，从而在这种条件下成形出的齿轮机械性能会好。

1.2.4 两种情况下成形实体图 （图7、图8）

图7、图8模拟成形效果都很好，齿轮齿充填饱满，齿轮轮廓完整清晰，基本没有出现拉裂现象，整个过程未出现折叠 、缩尾等缺陷。

由15°、 45°入模角对挤压成形模拟分析，从成形时应力、应变、挤压力大小、齿轮外形表面质量等综合考虑，45°入模角成形效果最好，应选其为实验入模角。

2 微齿轮热挤压实验验证

采用H62黄铜坯料在650℃的等温条件下，在热模拟实验机上进行试验，挤出齿顶圆直径d=1mm齿轮柱，微型齿轮成形效果良好，齿形饱满，齿根没有“死区”剪烈和折叠、挤压缩孔、轮廓清晰完整，充填充分，齿轮面没有纵向、横向裂纹、齿形无弯曲变形、以及粗晶环等，实验结果较为理想，微型齿轮柱实物图、截面电镜图如图9、 图10所示。

3 结束语

微成形过程十分复杂，现在微成形经验、实验方法比较欠缺，采用传统的方法分析成形很困难，运用DEFORM软件通过对微型齿轮挤压成形导入入模角进行数值模拟研究，选择成形时性能较好45°入模角实验，结果表明这种方式还是可行的，设计方案是合理的。

DEFORM数值模拟能比较直观地描述微成形金属成形过程，能为微成形优化设计提供较多依据，如模具结构合理性，产品成形缺陷状况、产品结构对产品质量的影响等，为研究者提供了一些控制和优化的方法，缩短了产品研发周期，减少实验者大量劳力，为人们带来经济效益，很好地指导现实生产。

微成形技术和数值模拟是新技术，还有很多课题需要探讨，因此，需要更多对此有兴趣的研究人员参与、协作，共同推动这些技术向更深层次领域发展。

参考文献：

[1]赵亚西，童国权.微型齿轮挤压成形[J].模具工业，2006，32（11）：48-50.

[2]付佳伟，齐乐华，周计明，等.微挤压成形系统的设计与实现[J].塑性工程学报，2010，17（1）：32-35.

[3]陈少东.ZL101半固态微成形本构模型与微齿轮挤压关键技术研究[D].上海：上海交通大学，2013，02：24-47.

[4]洪深泽.挤压工艺及模具设计[M].北京：机械工业出版社，1996.

[5]李更新，杨永顺.直齿圆柱齿轮温挤压数值模拟[J].模具制造，2004（1）：45-46.

[6]周永强，周杰.万向节叉热成形过程模拟研究[J].锻压技术，2002（2）：6-7.