内斜齿轮冷挤压成形时应力与应变的测量

　　机器、仪器制造业中有一类非常重要的零件内斜齿轮,例如内啮合的斜齿轮、制造外啮合塑料齿轮的模具及其他连接零件.

　　圆柱型孔侧表面上螺旋单元的成形是非常复杂的技术任务,特别是在制造模具时,对质量的要求非常高.一般来说,传统上这些螺旋单元用切削加工来制 造,这种加工方法成本高,工艺上非常低效,尤其在制造直径小而深度大的型孔时是不能实现的.冷挤压技术的发展使有效地利用塑性成形金属毛坯中的型孔成为可 能.然而冷挤压斜齿轮技术极其复杂,从大量已发表的资料中表明,对它的研究工作还不够深入,仅限于应变状态的研究,而且是只有一种螺旋单元渐开线单元,应 力状态几乎没有研究,这为以后的研究工作指明了方向.

　　1　坐标网格法测量挤压成形内斜齿轮表面的应力-应变状态

　　实验中,选用铝合金LD1及40#钢作为毛坯材料,在拉伸试验机ГМС-50及压力机ПО-54上进行了试验.毛坯的形状为空心圆柱体,其外径 D=40 mm,内径d=(14.8～15.4) mm,高度H=50 mm.在每个毛坯迎向凸模的表面(即上表面)上滚轧上直径d0=0.5mm的圆形网格,如图1(a)所示.网格采用印刷用油墨,用低温炉烘干后涂上一层干 燥后塑性较高的透明清漆,以便毛坯变形之后仍能保持变形网格的形状,便于测量.给出不同的凸模进入深度,范围为(0.5～24) mm,记录各阶段连续变形时的变形力,分析计算变形不同阶段的应力-应变状态.清漆和润滑冷却液保证了凸模进入任何深度时接触表面的可靠的质量.

　　除毛坯与凸模接触边界轮廓剧烈变化处外,所有的网格区域在任何变形阶段,变形前的圆形网格都变为椭圆形网格[1],如图1(b)所示.用精度为 0.01 mm的显微镜测量变形前、后的网格单元的尺寸大小.通过每个网格单元的尺寸计算出主应变(εa,εb,εn),主应力(σa,σb),应变强度(εi) ,应力强度(σi)以及应力状态特征系数的大小.主应变、主应力、应变强度、应力强度及应力状态特征系数的计算公式为

　　式中　角标a,b分别表示椭圆的长轴及短轴;角标n表示毛坯表面的法线方向.因为上表面为自由表面,所以σn=0.应力强度(σi)按应变强度(εi)计算.

　　对于材料LD1σi= 16.0 - 8.8 e-εi- 3.1 e-10εi

　　对于40#钢　　σi= 111.17 - 50.94 e-εi- 30.04 e-25εi

　　2　毛坯变形区表面层的应力-应变状态

　　应力-应变的计算结果表明,表层材料的应力-应变参数随着坐标(即空间位置)和时间的变化规律非常复杂.塑性变形首先产生于凸模导向部分和毛坯 接触的区域.随着凸模进入深度的增加,塑性变形逐渐向毛坯端面上扩展,形成两个变形特征不同的区域,分别位于毛坯齿间凹区和齿部.图2 ,图3给出了区域一(齿间凹区)中心上沿半径方向上的应力-应变参数变化,材料为LD1,图2凸模进入深度为h=0.55 mm,图3凸模进入深度为h=7.7 mm.