基于凹模強度的圓柱直齒輪溫精鍛工藝分析

侯天鵬，池城忠，聶慧慧

（太原理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024）

基于凹模強度的圓柱直齒輪溫精鍛工藝分析

侯天鵬，池城忠，聶慧慧

（太原理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024）

運用三維剛塑性有限元計算軟件Defrom－3D，對直齒圓柱齒輪溫精鍛成形過程進行模擬和變形抗力計算；將模腔充滿度為99%時的單位成形力作為凹模載荷，利用Lame公式對組合凹模進行應(yīng)力計算，比較了幾種不同凹模結(jié)構(gòu)對凹模受力的影響。

機械制造工藝技術(shù)；溫精鍛；圓柱直齒輪；數(shù)值模擬；模具強度

0 引言

作為傳遞運動和動力的關(guān)鍵零件,齒輪被廣泛應(yīng)用于車輛、船舶、機床等各類機械中。相比于傳統(tǒng)的銑齒、插齒、滾齒、磨齒等機加工工藝，采用精密塑性成形可明顯提高材料的利用率，特別是由于齒輪較好地保留了鍛造流線組織，使其綜合力學(xué)性能明顯提高[1]，得到了學(xué)者的認同。

1 圓柱直齒輪成形工藝與三維有限元模擬分析

1.1 浮動凹模的選用

浮動凹模在改善齒腔填充和降低成形力方面已顯示出優(yōu)越性[2～5]。結(jié)合鍛件及金屬填充型腔的特點，凹模采用浮動結(jié)構(gòu)。

1.2 有限元模型的參數(shù)選取

1.3 模具結(jié)構(gòu)的提出和有限元模型的建立

上凸模為圓柱形棒，凹模和下凸模均采用標(biāo)準(zhǔn)齒形。上凸模和凹模以10mm/s速度下行來完成坯料齒形的填充。在三維造型軟件Pro/E中建立有限元模型，保存為stl格式導(dǎo)入Defrom－3D軟件中，有限元模型簡圖如圖1所示。

1.4 有限元模擬結(jié)果分析

成形過程3個不同變形時刻對應(yīng)鍛件的變形如圖2所示。

可以看出，齒輪成形分為三個階段：①坯料鐓粗階段；②填充型腔階段；③充滿型腔階段。從成形結(jié)果看齒輪成形良好，齒頂角隅充分填滿。由于采用浮動凹模結(jié)構(gòu)，與普通結(jié)構(gòu)齒頂下角隅難以填充相比，浮動凹模變摩擦阻力為動力，更易填充該部位。成形過程中坯料受到向下的摩擦力，齒頂下角隅比上角隅更易于填充，從圖2（b）可以看出，填充型腔階段齒頂下角隅比上頂隅填充速度快，鼓肚明顯偏下。這是由于坯料上部的金屬流動速度比凹模慢，所以上部摩擦不利于齒頂角隅成形。

因此，不同種類的潤滑劑對氣缸的工作性能都同時有著正面與反面的影響。要做好氣缸的潤滑優(yōu)化，必須在選擇潤滑劑時綜合考慮各類潤滑劑。要選用含有不飽和成分較少的型號，同時還要添加如合成油聚α烯烴等成分，以更好地提高氣缸的工作性能。

圖1 成形有限元模型

圖2 坯料不同壓下量的變形

成形中上凸模的載荷行程曲線如圖3所示。

從圖3可以看出，在成形終了階段載荷急劇上升，到成形結(jié)束時成形力為26300N。該模擬過程為一個齒，那么該齒輪為18個齒，成形結(jié)束時載荷為18×26300=473400N。成形終了階段載荷行程曲線幾乎成直線上升，這是因為此時齒腔已基本充滿，所剩自由面積很小。為了完成局部角隅的成形，需要克服大部分處于靜止?fàn)顟B(tài)金屬產(chǎn)生的靜水壓力，所以工作載荷出現(xiàn)徒增現(xiàn)象。由圖3讀出上凸模擠壓力F為27600N，擠壓面積A由Pro/E繪圖軟件讀出為55mm2。那么:

圖3 凸模的載荷行程曲線

由經(jīng)驗公式 P=（4～6）σS[6]和 20Cr在 750℃時 σS=100MPa[7]可知:該模擬結(jié)果和經(jīng)驗公式一致。

2 模具強度計算

2.1 單層凹模強度計算

由于擠壓時模腔承受很大的工作壓力，凹模型腔易產(chǎn)生縱向開裂。所以凹模強度的校核顯得尤為重要。凹模型腔帶有齒形，在型腔的根部（即齒形的頂部）所受的工作壓力最大，是最易開裂的部位，所以采用厚壁圓筒的計算公式對該部位進行強度校核。在坯料的塑變區(qū)范圍內(nèi)，可以認為凹模的工作內(nèi)壓（P1）與單位擠壓力P相等，即P1=P[8]。凹模根部可視為內(nèi)部受均勻壓力作用的厚壁圓筒，凹模截面內(nèi)任意半徑r處的切向應(yīng)力σt與徑向應(yīng)力σr可用厚壁筒理論公式表示[9]：

式中:P1——凹模內(nèi)壁徑向工作壓力；

r1——凹模的內(nèi)半徑；

r2——凹模的外半徑；

r——凹模的任意點半徑。

凹模的最大應(yīng)力發(fā)生在凹模型腔根部r=r1處，根據(jù)畸變能強度理論，其相當(dāng)應(yīng)力為：

式中：r3——預(yù)應(yīng)力圈外徑。取 r3=4r1=160mm，代入式（4）得△d2=0.24mm。利用Lame公式對組合凹模進行受力分析。

2.2.1 預(yù)應(yīng)力分布

凹模受到預(yù)應(yīng)力圈的接觸壓力P2k，將產(chǎn)生切向預(yù)應(yīng)力σt′和徑向預(yù)應(yīng)力σr′，分別為：

2.2 組合凹模強度計算

基于經(jīng)驗方法和優(yōu)化理論方法相結(jié)合的設(shè)計。組合凹模示意圖如圖4所示。

其中壓合面的角度γ=1°30′。如圖表示雙層組合凹模壓合前的配合情況，其右邊表示壓合后的狀態(tài)。

凹模用硬質(zhì)合金材料，選用H13鋼；預(yù)應(yīng)力圈選用合金工具鋼30CrMnSi。凹模內(nèi)壁允許出現(xiàn)拉應(yīng)力。這種情況下的目標(biāo)函數(shù)是：當(dāng)組合凹模承受最大壓力P1時，凹模和預(yù)應(yīng)力圈正好達到許用應(yīng)力[σ1]和[σ2]，而不考慮凹模內(nèi)壁是否出現(xiàn)應(yīng)力[11]?；谶@種方法得到徑向過盈量:

E——凹模鑲塊的彈性模量。

σt′和σr′的壓應(yīng)力分布如圖5所示。

預(yù)應(yīng)力圈同凹模壓配后，對于預(yù)應(yīng)力圈而言，其接觸壓力P2k′為內(nèi)壓力，所產(chǎn)生的切向應(yīng)力σt″和徑向應(yīng)力σr″分別為：

凹模與預(yù)應(yīng)力圈壓配后的組合體的切向預(yù)應(yīng)力和徑向預(yù)應(yīng)力，分別等于凹模內(nèi)和預(yù)應(yīng)力圈內(nèi)相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力相疊加，其分布情況如圖7所示。

2.2.2 工作應(yīng)力分布

首先把組合凹模當(dāng)做整體凹模，僅考慮有擠壓力P1所產(chǎn)生的切向應(yīng)力σt?和徑向應(yīng)力σr?，分別為：

式中：r1≤r≤r3。切向應(yīng)力σt?為拉應(yīng)力，徑向應(yīng)力σr?為壓應(yīng)力，其分布情況如圖8所示。

2.2.3 總的應(yīng)力分布

然后，將工作應(yīng)力與相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力進行疊加，即可得到組合凹模內(nèi)總的切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力。如圖9所示。

對于凹模：

2.2.4 組合凹模強度校核

由于σ相當(dāng)≤[σ2]從而得出結(jié)論：該組合凹模的設(shè)計方案不成立。

2.3 減小過盈量再次計算

上述方案雖使凹模鑲塊材料得到了充分利用，強度大大提高，但是預(yù)應(yīng)力圈卻承受了較大的拉應(yīng)力作用。在組合凹模中凹模鑲塊受到了預(yù)應(yīng)力圈的切向壓應(yīng)力，用以部分甚至全部抵消工作工程中由于內(nèi)壓作用在凹模內(nèi)壁上引起的切向拉應(yīng)力，對于預(yù)應(yīng)力圈而言，受到了過盈配合產(chǎn)生內(nèi)壓和工作過程中產(chǎn)生的內(nèi)壓疊加，致使其等效應(yīng)力超過了許用應(yīng)力。所以減小預(yù)應(yīng)力圈所受應(yīng)力可以通過減小和凹模鑲塊間的過盈量來實現(xiàn)。這就會增大凹模鑲塊工作時受到的切向拉應(yīng)力?？偨Y(jié)上述，適當(dāng)減小起過盈量，使凹模鑲塊和預(yù)應(yīng)力圈都不超過其許用應(yīng)力，使凹模內(nèi)的預(yù)應(yīng)力趨于均勻，模具材料得到充分利用。

改選Δr2=0.07mm，再次對凹模鑲塊和預(yù)應(yīng)力圈強度計算等效應(yīng)力σ相當(dāng)分別為：635MPa、565MPa。從而得出結(jié)論：組合凹模的尺寸設(shè)計以及材料選擇都符合工程要求。

3 結(jié)語

（1）采用三維有限元軟件模擬，準(zhǔn)確地計算出凸模載荷，為凹模強度計算得到了準(zhǔn)確的應(yīng)力值。

（2）對單層凹模強度計算，證明單層凹模強度不夠，應(yīng)采用組合凹模。

（3）對組合凹模進行強度計算，分析了過盈量對凹模和預(yù)應(yīng)力圈的強度的影響，采用了合理的過盈量，使凹模內(nèi)的預(yù)應(yīng)力趨于均勻，凹模材料得到充分利用。

[1] 張清萍，尚 勇，王預(yù)增.直齒圓柱齒輪精鍛工藝研究[J].鍛壓裝備與制造技術(shù).2006，41（3）：39-41.

[2] C Tuncer,T A Denan.Precision forging hollow parts in novel dies[J].J.Mech.working Technol，1988，16：39-50.

[3] M H Stadeghi,T A dean.Precision Forging Straight and Helicalspur Gears[J].Journal of Materials Processing Technology,1995,45(1-4):25-30.

[4] K Kondo.Development of precision cold forging processes[C].Advanced Technology of Plasticity-Ppoc.Of 1stICTP Tokyo,1984:701-709.

[5]譚險峰，劉霞，周晴.直齒輪沖擠——鐓擠成形過程數(shù)值模擬分析[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2009，44（4）：59-61.

[6] 毛衛(wèi)民.金屬材料成型與加工[M].北京.清華大學(xué)出版社，2008.

[7] 王耀祖，崔宏祥.20Cr鋼溫擠壓力學(xué)性能參數(shù)及其機械性能的研究[J].天津大學(xué)學(xué)報.1984，增刊：87-99.

[8] 楊長順.冷擠壓模具設(shè)計.北京：國防工業(yè)出版社，1994.

[9] 劉鴻文.材料力學(xué).北京：高等教育出版社，2004.

[10] 陳再枝，馬黨參.塑料模具鋼應(yīng)用手冊.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[11] 夏巨諶.金屬材料精密塑性加工方法.北京：國防工業(yè)出版社，2007.

[12] 機械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊編委會，編.機械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊.北京：機械工業(yè)出版社，1994.

Warm fine forging process analysis of spur gear based on strength of cavity die

HOU Tianpeng,CHI Chengzhong,NIE Huihui
（School of Material Science and Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,Shanxi China）

Three-position rigid-plastic finite element software Defrom-3D has been used to simulate the warm fine forging process of spur gear.The deformation resistance force has been calculated.Taking the unit forming force with 99%die space filling as the cavity die load,by use of Lame formula,the stress force of the combined cavity die has been calculated.The influence of different kinds of structure to the force of cavity die has been compared.

Fine warm forging;Spur gear;Numerical simulation;Mould strength

TG316

A

1672－0121（2012）02－0057－03

2011－12－05

侯天鵬（1985－），男，碩士在讀，主攻塑性成形與模具設(shè)計