随着电子产品微型化趋势的发展, 微型零部件的市场需求量大大提高, 特别是在医疗器械、能源设备、微机电系统(MEMS)及通讯等众多领域^[1]。同时, MEMS技术的快速发展也推动了微成形技术的飞跃发展^[2]。齿轮机构用于传递空间任意两轴之间的运动和动力, 是现代机械中应用最为广泛的一种传动机构。但其生产方法主要采用传统的切削加工工艺, 因为在加工时齿形部分的纤维被切断, 使齿轮强度降低, 微型小齿轮由于尺寸小, 使用常规加工方法装夹难, 加工刀具难以保证精度, 加工更难, 因此, 微成形技术得到了应用。微成形是指以塑性加工方式生产尺寸(至少在二维方向上)处于次毫米级的零件或结构的工艺技术^[3]。微成形作为传统塑性加工技术在微细领域的延伸, 继承了传统塑性成形技术的许多优点, 具有生产效率高、产品质量好和节能节材等特点^[4]。

在微成形中由于尺度效应的存在给成形研究带来很多困难。目前, 国内外已有很多学者对微挤压成形进行研究。Saotome等^[5]自行研制出一套微反挤压成形装置, 成功制备出分度圆直径为1 mm和2 mm的微小齿轮。Mahabunphachai等^[6]在研究微成形过程时发现, 当坯料尺寸与平均晶粒尺寸的比值小于一定值时, 金属变形过程更多表现为单晶的性质。Engel等^[7]提出了开式和闭式凹坑摩擦模型。郭斌等^[8]认为微成形零件尺寸微小, 液体润滑剂很难在成形零件和模具间形成连续且均匀的润滑薄膜, 若润滑剂过多, 还会造成堆积, 影响成形零件的精度。周健等^[2]利用等温精密成形工艺, 成功制备出了分度圆直径为1 mm的齿轮。香港科技大学的Chan等^[9]对不同晶粒尺寸的纯铜进行多种微挤压试验, 发现晶粒尺寸对成形力及成形效果影响均较大。

本文采用热挤压工艺成形7075铝合金微直齿圆柱齿轮, 该成形过程受到诸多因素的影响, 针对主要工艺参数凹模入模角、坯料直径、挤压温度、挤压速度和摩擦因数进行有限元分析, 研究各参数变化对挤压杆最大成形载荷和挤出端凸度的影响规律, 为微齿轮热挤压成形提供理论依据^[10-12]。

1 试验方案

本文研究的微直齿圆柱齿轮参数为:模数m=0.1, 齿数z=10, 压力角α=20°, 齿顶高系数h_a^*=0.8, 顶隙系数c^*=0.3, 分度圆直径为1 mm, 齿顶圆直径为1.16 mm, 齿根圆直径为0.78 mm, 齿根圆角半径为0.38 mm。

由于微型热挤压成形对成形温度、挤压速度等参数敏感^[13], 本文研究的微齿轮成形工艺为连续等温热挤压成形。为了便于送料及利于坯料定位, 选用圆柱形坯料。毛坯材料为7075铝合金, 挤压前进行固溶处理, 工艺为:400 ℃, 保温60 min, 随炉冷却至200 ℃, 再空冷至室温。坯料选取不同直径进行挤压时, 高度均取3 mm。

2 有限元分析 2.1 有限元模型的建立

为简化模型, 提高运算精度和计算效率, 根据对称性原理, 取一个齿做模拟试验, 即模具和坯料几何建模时选取原模型的1/10。凹模几何模型、模具及坯料导入DEFORM软件中的装配体如图 1所示, 其中凹模工作带长度为2 mm。

模拟参数设置如下:挤压过程中坯料的塑性变形量远大于弹性变形量, 因此坯料材料类型选择塑性体, 模具材料类型选择刚性体; 将通过等温微压缩试验获得的7075铝合金真实应力应变数据导入DEFORM软件作为材料塑性变形数据; 摩擦模型选择剪切摩擦模型; 模拟假定热挤压过程在恒温下进行; 网格划分根据坯料尺寸设置不同数量的网格, 并在齿形成形区域进行网格局部细化, 尺寸比设置为0.01, 最终使得最小网格单元尺寸达到工件最小特征尺寸的1/3左右。

2.2 正交试验设计

直齿圆柱齿轮挤压成形时成形载荷大, 模具磨损严重, 齿形角隅部分易出现填充不足。7075铝合金微齿轮热挤压成形载荷及成形性能受到诸多因素影响, 该研究将挤压杆最大成形载荷和挤出端凸度θ作为试验指标, 选取主要影响因素:入模角A、坯料直径B、挤压温度C、挤压速度D和摩擦因数E设计L₁₆(4⁵)正交试验^[14-15], 根据前期模拟试验数据分析, 因素水平选取情况如表 1所示。

3 有限元模拟结果分析 3.1 有限元分析试验数据

挤压件的成形质量一般通过其尺寸精度和表面粗糙度来评定, 而尺寸精度和表面粗糙度都与工件与模具间的摩擦有关, 摩擦效应还映射到挤出工件的末端形状, 因此可定义挤出端凸度θ作为挤压件成形质量的评定指标。挤出端凸度定义为:

(1)

式中:h_max为挤出最大长度; h_min为挤出最小长度。

正交试验安排及有限元模拟结果如表 2所示。

3.2 试验结果极差分析

以上试验所得最大成形载荷极差分析结果如表 3所示, 各工艺参数在不同水平下对最大成形载荷的影响趋势如图 2所示。综合表 3和图 2可得, 首先, 坯料直径和挤压温度对最大成形载荷影响程度最大, 且两者影响程度相差不大, 最大成形载荷随坯料直径的增大几乎呈线性快速增大, 随挤压温度的升高几乎呈线性快速减小; 其次是挤压速度, 成形载荷随挤压速度的增大而增大, 在挤压速度达到0.025 mm·s^-1时, 成形载荷增幅变缓; 再次是入模角, 随着入模角的增大, 成形载荷出现波动现象; 最后, 摩擦因数对成形载荷的影响程度最小。

试验所得挤出端凸度极差分析结果如表 4所示, 各工艺参数在不同水平下对挤出端凸度的影响趋势如图 3所示。综合表 4和图 3可得, 首先坯料直径对挤出端凸度影响程度最大, 挤出端凸度随坯料直径的增大几乎呈线性快速上升; 其次是挤压速度和挤压温度, 两者对挤压端凸度影响程度相差不大, 且影响趋势相同; 再次是入模角和摩擦因数, 两者影响程度相同。

3.3 试验结果方差分析

为了更直观地体现各因素水平变化对试验指标的影响, 运用贡献率的形式对试验结果进行方差分析。根据方差分析的基本原理, 可用各因素引起的方差和S_SF与总方差和S_T的比值来表征各因子对产品性能的影响程度F_i:

(2)

因素i对试验指标的贡献率为F_i与F_i总和的比值。

各因素对最大成形载荷和挤出端凸度的方差分析如表 5和表 6所示。表 5和表 6得出的结论分别与表 3和表 4所得的结论一致。坯料直径对最大成形载荷和挤出端凸度影响最大, 摩擦因数对最大成形载荷的影响很小(贡献率仅为0.735%), 其影响可忽略。摩擦因数和入模角对挤出端凸度的影响也很小(贡献率分别为2.965%和3.656%)。

综合模拟结果的极差分析和方差分析可知, 影响成形载荷和成形质量的三大主要因素是坯料直径、挤压温度和挤压速度。坯料直径的变化对成形载荷及成形质量都产生很大影响, 因为挤压力随挤压变形程度的增大而显著增大, 挤出端凸起主要是由于摩擦的存在, 坯料表面材料和内部材料流动不均所致, 而在一定范围内随着坯料直径的增大, 表面晶粒的变形对整体变形的影响减弱, 成形质量有所提高, 坯料直径可优选为2 mm。挤压温度和挤压速度对成形载荷的影响也较大, 主要是由于在变形过程中材料发生动态再结晶。成形质量随着挤压温度的升高而提高, 主要是由于材料塑性的提高而有利于挤压充填。综合考虑, 挤压温度可优选为500 ℃, 挤压速度可优选为0.005 mm·s^-1。另外, 入模角对成形载荷及成形质量影响均较小, 根据模拟结果可优选为110°。本次正交试验中摩擦因数整体影响较小, 有摩擦因数各水平选取差别较小的原因, 根据有润滑、无润滑及不同润滑条件下的单因素变化模拟结果可知, 微成形中摩擦情况是必须加以重视的, 要尽量采取适宜的润滑条件以减小摩擦因数。

3.4 参数优化模拟试验

根据模拟结果可以针对性地调整热工艺参数, 考虑到微成形过程中存在的系列微尺度效应, 模拟结果与实际生产存在一定的差异, 但各因素对试验指标的影响关系也有一定的预见性。选取入模角为110°, 坯料直径为2 mm, 挤压温度为500 ℃, 挤压速度为0.005 mm·s^-1, 摩擦因数为0.2时进行模拟试验, 模拟成形齿轮如图 4所示, 成形齿轮挤出端凸度较小, 齿形充填完整, 表面质量良好。

4 结论

对分度圆直径为1 mm的铝合金微齿轮进行热挤压成形模拟, 研究了入模角、坯料直径、挤压温度、挤压速度和摩擦因数对最大成形载荷和挤出端凸度的影响, 最后对工艺参数进行了正交优化。

(1) 坯料直径和挤压温度对最大成形载荷影响程度最大, 且两者影响程度相差不大, 最大成形载荷随坯料直径的增大几乎呈线性上升, 随挤压温度的升高几乎呈线性降低。其次是挤压速度, 成形载荷随挤压速度的提高而快速上升, 在挤压速度达到0.025 mm·s^-1时, 成形载荷增幅变缓。再是入模角, 摩擦因数影响程度最小。

(2) 坯料直径对挤出端凸度影响程度最大, 挤出端凸度随坯料直径的增大几乎呈线性快速增大。其次是挤压速度和挤压温度, 两者对挤压端凸度影响程度相差不大。最后是入模角和摩擦因数, 两者影响程度相同。

(3) 通过优化工艺参数, 选取入模角为110°, 坯料直径为2 mm, 挤压温度为500 ℃, 挤压速度为0.005 mm·s^-1, 摩擦因数为0.2时进行模拟试验, 模拟成形齿轮挤出端凸度较小, 齿形充填完整, 表面质量良好。